Brevet FR2861899A1 — publié le 20050506

La présente invention concerne les antennes-sources constituées par une ouverture rayonnante, plus particulièrement par un cornet. Elle concerne aussi une structure d'antenne comportant une antenne-source conforme à l'invention, associée à un système de focalisation du type lentille homogène. Dans le cas des systèmes de communication par satellite en orbite basse, l'utilisation d'un système de focalisation du type parabole n'est pas adéquat. En effet, afin d'assurer la poursuite continue des satellites non io géostationnaires sur leur trajectoire et d'éviter l'interruption des communications lorsque les satellites défilant ne sont plus en visibilité directe avec l'antenne au sol, celle-ci doit présenter, au moins pendant la période de commutation d'un satellite à l'autre, deux faisceaux séparés. De plus, la couverture angulaire des faisceaux doit être assurée sur une zone très large. Pour répondre à ces problèmes, on peut utiliser un système de focalisation du type lentille de Luneberg qui, grâce à sa symétrie sphérique, permet d'envisager une multitude de faisceaux et la poursuite de satellites sur un large secteur angulaire par simple déplacement des sources d'émission/réception dans la surface focale de la lentille. Toutefois, la réalisation pratique d'une lentille de Luneberg est complexe et coûteuse. En conséquence, à la place d'une lentille de Luneberg, on peut envisager d'utiliser une lentille sphérique homogène. Une lentille homogène présente un coût de fabrication moindre. Toutefois, elle ne permet pas une focalisation parfaite d'une onde plane incidente. En effet, des phénomènes d'aberration sont constatés au niveau de la surface focale. Dans le cas d'une lentille homogène, on ne parle plus d'un point focal comme pour un système de focalisation constitué par une parabole ou une lentille de Luneberg mais de tâche focale, la zone de focalisation étant plus étendue. En conséquence, les imperfections de focalisation en sortie d'une lentille homogène rendent beaucoup plus complexes les contraintes de conception de l'antenne-source primaire associée. La principale fonction de l'antenne-source associée aux lentilles homogènes est donc de prendre en compte et de compenser au mieux les distorsions de phase et d'amplitude introduites par ce système de focalisation imparfait. Ainsi, l'application du théorème de Robieux permet de montrer que le rendement d'un système d'antenne comportant une antenne-source primaire et son système de focalisation associé, est optimal lorsque les io champs électriques E et magnétiques H de l'antenne-source et du système de focalisation sont conjugués entre eux. La distribution des champs dans l'ouverture de l'antenne-source se doit donc d'être identique à celle du système de focalisation en amplitude et sa réponse en phase doit être en opposition de phase. La présente invention concerne donc une antenne-source qui permet d'obtenir une distribution des champs dans son ouverture rayonnante et qui se superpose au mieux avec celle générée par le système de focalisation. Lorsque le système de focalisation est un système de type parabole, la solution classiquement utilisée pour l'antenne-source est un cornet. Toutefois, dans le cas d'antennes-sources telles que les cornets, la technique généralement employée pour assurer la symétrisation des plans E et H consiste en l'ajout de rainures ou corrugations transversales ou longitudinales à l'intérieur ou à l'extérieur du cornet afin de modifier la répartition modale des champs électromagnétiques au niveau de l'ouverture du cornet. Les corrugations introduisent en effet des modes hybrides supérieurs dans la structure guidée au niveau des corrugations, qui permettent d'harmoniser la réponse en phase et en amplitude dans l'ouverture du cornet. Toutefois, lorsque le système de focalisation est une lentille 30 homogène, la focalisation étant moins performante qu'en sortie d'un système de focalisation de type parabole classique, ceci se traduit par une zone de focalisation beaucoup plus étendue. De ce fait, les cornets corrugés ne constituent pas la solution la meilleure dans le cas d'un système de focalisation du type lentille homogène. En conséquence, la présente invention propose une autre solution pour l'antenne-source constituée par une ouverture rayonnante. Conformément à l'invention, l'antenne est constituée d'un antenne source de type ouverture rayonnante à l'intérieure de laquelle est disposé un insert diélectrique. L'utilisation de l'insert diélectrique permet: 1) d'établir la symétrie de la réponse en phase, notamment du fait io que, selon une caractéristique de l'invention, l'insert présente, selon une coupe transversale à l'ouverture, une forme elliptique, 2) d'adapter la réponse en phase et en amplitude de l'antenne source à celle de la lentille homogène en jouant sur le positionnement et le profil longitudinal de l'insert diélectrique. Notamment l'insert présente selon une coupe réalisée selon l'axe Oz de rayonnement de l'ouverture, une forme concave ou convexe. Cette forme specifique va modifier le chemin optique, donc la réponse en phase à l'intérieur de l'ouverture rayonnante et la répartition d'amplitude. Selon une autre caractéristique de la présente invention, 20 l'ouverture rayonnante est constituée par un cornet. Selon un premier mode de réalisation, le cornet est formé par un bloc de mousse en matière synthétique dont la surface externe est métallisée, ledit bloc présentant un évidement interne pour recevoir l'insert. Selon un autre mode de réalisation, le cornet est constitué par un bloc de mousse en matière synthétique évidé intérieurement et présentant des surfaces internes et externes métallisées. La présente invention concerne aussi une structure d'antenne comportant une antenne source telle que décrite ci-dessus, associée à un système de focalisation du type lentille homogène. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux figures ci-annexées dans lesquels: Fig. 1 présente respectivement une vue en coupe transversale et longitudinale d'une source de type cornet munie d'un insert diélectrique. s Fig. 2 présente les cartographies de phase dans le cas d'un cornet sans insert et d'un cornet avec insert. Fig. 3 sont des vues schématiques de face et de profil de la géométrie de l'insert. Fig. 4 est une courbe donnant l'amplitude du champ E selon l'axe io Oz pour la lentille, le cornet seul et le cornet avec insert. Fig. 5A et 5B sont des courbes identiques à celle de la Fig. 4 dans le cas de la phase du champ E et du champ H selon l'axe Oz. Fig. 6 représente le diagramme de rayonnement dans les plans E et H d'une antenne source de type cornet sans insert. Fig. 7 représente le diagramme de rayonnement dans les plans E et H d'une antenne source de type cornet avec insert. Fig. 8 représente différents diagrammes de rayonnement à 16 GHz. Fig. 9 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation 20 d'un cornet. Fig. 10 est une vue schématique d'un second mode de réalisation d'un cornet. Fig. 11 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un cornet muni d'un insert, conformément à la présente invention. Fig. 12 est une vue en coupe identique à la Fig. 11 pour un second mode de réalisation, et Fig. 13 est une vue en coupe identique à celles des Fig. 11 et 12 pour un troisième mode de réalisation. Pour simplifier la description dans les figures, les mêmes 30 éléments portent les mêmes références. On décrira tout d'abord avec référence aux figures 1 à 8, un mode de réalisation de l'antenne-source conforme à la présente invention. Dans ce cas, comme représenté sur la figure 1, l'ouverture rayonnante formant l'antenne-source est constituée par un cornet 1 en matériau rayonnant présentant, à une extrémité, une forme cylindrique la qui s'évase progressivement jusqu'à son ouverture 1 b. Conformément à l'invention, à l'intérieur du cornet 1 est monté un insert 2 en un matériau diélectrique. Les matériaux qui peuvent être utilisés sont les matériaux connus io sous la dénomination commerciale: Eccostock Lok: permittivité 1,7 tangente de pertes 0.004 Eccostock SH-14: permittivité 1,25 tangente de pertes 0.005 D'une manière générale, tout matériau diélectrique de permittivité >1 et de tangente de pertes assez faible pour minimiser les pertes diélectriques peut être utilisé, ce matériau pouvant être usinable ou moulable. Comme représenté clairement sur la coupe transversale de la figure 1, l'insert diélectrique 2 présente une vue de face elliptique. En fait, la forme de l'insert est représentée de manière plus détaillée sur la figure 3. La vue de gauche de la figure 3 représente la face elliptique de l'insert 2 tandis que la vue de droite est une vue de profil et montre que l'insert 2 a une forme concave, selon son profil longitudinal. Les dimensions de l'insert données sur la figure 3 seront utilisées ultérieurement pour des simulations. Le rôle de l'insert diélectrique est représenté sur la figure 2 qui donne les cartographies de phase obtenues dans l'ouverture d'un cornet classique polarisé linéairement selon l'axe Ox, respectivement dans le cas où le cornet est sans insert (figure de gauche) et dans le cas où le cornet est avec un insert diélectrique elliptique (figure de droite). Comme cela apparaît clairement sur les figures, l'ajout de l'insert elliptique permet de symétriser la réponse en phase dans l'ouverture du cornet. Cela se traduit, au niveau du diagramme de rayonnement, par une symétrisation dans les plans E et H. D'autre part, la géométrie de l'insert diélectrique est importante pour obtenir cette symétrisation. Le caractère elliptique de l'insert est nécessaire pour assurer la symétrisation de la réponse en phase, le profil elliptique étant d'autant plus accentué que la dissymétrie en phase du cornet sans insert est importante. De plus, le profil longitudinal de l'insert légèrement concave, comme illustré sur la figure 3, et le positionnement de l'insert à l'intérieur du io cornet sont deux paramètres qui permettent d'adapter, de façon optimale, la réponse en phase et en amplitude par rapport à la réponse souhaitée d'une lentille donnée. Le positionnement de l'insert suivant l'axe Oz influe fortement sur la correction en amplitude, le profil concave permettant lui de réduire le déphasage entre rayons centraux et marginaux. Les résultats obtenus par l'insertion d'un insert elliptique dans un cornet tel que représenté à la figure 1, ont été vérifiés en utilisant le programme connu sous la marque Feko sur la base d'un cornet excité par une polarisation linéaire le long de l'axe Ox à 12 GHz. Le cornet a été dimensionné de manière à assurer l'illumination d'une lentille diélectrique homogène de permittivité 1.5 et de diamètre 30 cm. Ce cornet présente un diamètre de 4 cm au niveau de l'ouverture rayonnante centrée en haut et l'insert présente les dimensions données sur la figure 3, à savoir un grand axe de l'ellipse de 14 mm, un petit axe de 7 mm et une profondeur entre les deux parties concaves de 18 mm avec une permittivité de 1.4. Les résultats des simulations sont donnés sur les différentes courbes 4, 5A, 5B, 6, 7 et 8. Les courbes des figures 4, 5A et 5B sont des courbes donnant soit l'amplitude du champ E selon l'axe Ox, soit la phase du champ E et la phase du champ H selon le même axe. Lorsque l'on compare les différentes courbes pour respectivement la lentille, le cornet seul et le cornet plus insert, on voit que l'ajout de l'insert diélectrique permet d'adapter les distributions de champ en sortie du cornet à celles de la lentille au niveau de la tâche focale, et cela à la fois en phase et en amplitude. D'autre part, la symétrisation de la réponse en phase se traduit par une amélioration significative du diagramme de rayonnement, comme le montre les figures 6 et 7 qui représentent, pour la figure 6 le diagramme de rayonnement du cornet sans insert et, pour la figure 7, le diagramme de rayonnement du cornet avec insert. Dans ces figures, on voit que l'insert elliptique permet de symétriser les réponses dans les plans E et H tout en permettant de réduire le niveau des lobes secondaires. io Ainsi, comme représenté sur la figure 8, l'insert apporte des améliorations significatives avec une réduction importante des lobes secondaires, ce qui permet d'avoir un fonctionnement en large bande. On décrira maintenant, avec références aux figures 9 à 13, différents modes de réalisation d'une antenne-source de type cornet ainsi que différents modes de réalisation de la présente invention. Comme représenté sur la figure 9, le cornet peut être constitué par un bloc de mousse 10 qui a été évidé intérieurement et qui présente une métallisation externe 11 et une métallisation interne 12, l'intérieur du cornet étant rempli d'air. Dans ce cas, l'insert flottant peut être fixé dans une gorge prévue à l'intérieur du cornet mais non représentée sur la figure 9. Sur la figure 10, on a représenté un autre mode de réalisation d'un cornet utilisant la technologie mousse. Dans ce cas, le cornet est constitué par un bloc plein de mousse en matière synthétique conformé pour avoir une partie cylindrique qui se prolonge par une partie évasée. Dans ce cas, la surface externe du bloc de mousse 20 est métallisée pour réaliser l'antenne-source Le cornet en mousse peut être réalisé en des matériaux connus sous la dénomination commerciale: Rohacell 71: permittivité 1,09 tangente de pertes 0,0038 ou, Eccostock PP: gamme de permittivité de 1,03 à 1,1 tangente de pertes 0.0002. On décrira maintenant avec références aux figures 11, 12 et 13, différentes variantes de réalisation du cornet dans le cas où le cornet est constitué par un bloc de mousse métallisé, comme décrit avec référence à la figure 10. Dans le cas de la figure 11, le bloc de mousse 30 reçoit une métallisation 31 sur sa surface externe. D'autre part, le côté ouverture du cornet 30 est muni d'un dégagement 32 de forme concave qui permet l'insertion d'un insert 33 en matériau diélectrique, présentant une forme du type de celle décrite avec la référence à la figure 3. Cet insert présente un io profil légèrement concave, permettant de réduire le déphasage des rayons marginaux par rapport aux rayons centraux. Sur la figure 12, on a représenté un cornet 40 similaire au cornet de la figure 11. Ce cornet est muni sur sa surface externe d'une métallisation 41 et il présente au niveau de son ouverture, un dégagement 42 permettant is l'insertion de l'insert diélectrique 43. Toutefois, dans ce mode de réalisation, l'insert 43 présente un profil de type convexe qui permet, au contraire, d'augmenter le déphasage des rayons marginaux par rapport aux rayons centraux. Sur la figure 13, on a représenté encore un autre mode de réalisation d'un cornet constitué par un bloc de mousse 50, revêtu sur sa surface externe d'une métallisation 51. Dans ce cas, plusieurs inserts diélectriques 53A et 53B sont utilisés pour symétriser les réponses dans les plans E et H. Comme représenté sur la figure 13, le bloc de mousse 50 comporte un dégagement central 52A pour recevoir un premier insert central 53A en matériau diélectrique et une gorge circulaire 52B pour recevoir un insert formé par une couronne circulaire 53B. Dans cas, l'insert central permet de corriger les distorsions au niveau du coeur de la tâche focale tandis que l'insert à la périphérie présentant la forme d'une couronne circulaire permet d'adapter les distributions de champ au niveau de la périphérie de l'ouverture rayonnante. II est évident pour l'homme de l'art que les modes de réalisation donnés ci-dessus ne sont que des exemples qui peuvent être modifiés de nombreuses manières. En particulier la géométrie de l'ouverture rayonnante n'est pas limitée à celle d'un cornet, tel que représenté dans les figures. Elle peut avoir toute autre forme, notamment la forme de cornets pyramidaux ou d'ouvertures rayonnantes présentant d'autres formes connues. De même l'insert en matériau diélectrique peut avoir d'autres formes que les formes données ci-dessus. Notamment la forme elliptique peut être modifiée jusqu'à une forme circulaire et le profil peut avoir une forme différente d'une forme io concave ou convexe. i0 REVENDICATIONS 1 Antenne -source constituée par une ouverture rayonnante, 5 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un insert (2) en matériau diélectrique monté flottant à l'intérieur de l'ouverture rayonnante (1). 2 Antenne-source selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'insert présente, selon une coupe transversale à l'ouverture, une forme io elliptique. 3 Antenne-source selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'insert présente, selon une coupe réalisée selon l'axe (Oz) de rayonnement de l'ouverture, une forme concave ou convexe. 4 Antenne-source selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'insert est positionné à l'intérieur de l'ouverture selon l'axe (Oz) de rayonnement de l'ouverture, en fonction de la correction d'amplitude demandée. Antenne-source selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'ouverture rayonnante est constituée par un cornet. 6 Antenne-source selon la revendication 5, caractérisée en ce que le cornet est constitué par un bloc de mousse en matière synthétique dont la surface externe est métallisée, ledit bloc présentant un évidement interne pour recevoir l'insert. 7 Antenne -source selon la revendication 5, caractérisée en ce 30 que le cornet est constitué par un bloc de mousse en matière synthétique évidé intérieurement et présentant des surfaces interne et externe métallisées. 8 Structur e d'antenne comportant une antenne-source selon 5 l'une des revendications 1 à 7 associée à un système de focalisation du type lentille homogène.