Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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Anten e à réflecteur de révolution_ _
L'invention se rapporte à une antenne à réflecteur de révolution.
Une telle antenne peut ê-tre de plusieurs types : ce peut être tout
d'abord une antenne monoréflecteur.
Ainsi comme décrit dans l'ouvrage de M. Nhu BUI HAI, intitulé
"Antennes micro-ondes~ (Masson, 197~), une antenne de ce type, dont le
réflecteur est illuminé par une source primaire placée au niveau focal,
est couramment utilisée dans les bandes supérieures à 400 MHz.
Une telle antenne comprend un réflecteur, généralement de
révolution, et une source primaire généralement de type cornet lorsque
la longueur d'onde de fonctionnement est centimétrique, et de type
dipole avec réflecteur lorsqu'elle est décimétrique.
Pour un réflecteur paraboloïdal de révolution de tolérance de
surface d'environ ~ ~ /16, ~ étant la longueur d'onde de travail, et
une source primaire du type cornet, le rendement d'une telle antenne se
situe entre 0,45 et 0,55.
Un des facteurs principaux modifiant considérablement le rendement
de l'antenne réside dans la perte du gain due aux tolérances de surface
du réflecteur paraboloïdal de révolution. C'est ainsi qu'une tolérance
de surface de + ~ /16 fait perdre environ 0,4 dB et fait remonter le
niveau diffus du rayonnement d'environ 15 dB.
La présente invention consiste à réduire considérablement ces
influences.
Une telle antenne peut également être une antenne à optique
cassegrain.
Les antennes à optique cassegrain à réflecteurs de révolution sont
bien connues. Elles comprennent un réflecteur principal de type
paraboloïdal, un sub-réflecteur de forme soit hyperboloïdale soit
ellipsoidale, et une source primaire.
Leurs performances sont les suivantes :
- en co-polarisation : - niveau du premier lobe secondaire de l'ordre
de -16dB/maximum ;
- rendemen-t 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
- ~3:~497~,
- niveau au plus haut : -22 à -30dB/maximum.
En supposant que la source primaire ait de très bonnes
performances (cornet du type corrugué à profil 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 comparée à la longueur d'onde A soit le rapport ~
d'environ I 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 peut avoir, par exemple, une
valeur de la contra-polarisation 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 des
antennes existantes. Mais pour les faisceaux hertziens numériques de 256
QAM, les performances contra-polaires des antennes existantes 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, tou-t en
continuant à n'utiliser qu'une source primaire dont l'illumination est
dégressive. Pour ce faire, on définit de nouveaux profils de
'
;: ~
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réflecteurs, dit profils "conformés~ : pseudo-parabolo~dal 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-hyperboloïdal, la source, qui doit etre placée au foyer situé
entre le réflecteur principal et le subréflecteur, constitue un certain
masque pour les ondes émises ou resues par l'antenne.
L'invention a donc pour objet de résoudre également ces différents
problèmes.
Elle propose, donc une antenne à réflecteur de révolution,
caractérisée en ce que ce réflecteur est réalisé en un matériau ayant
une phase liquide et une phase solide et en ce qu'il est obtenu par
centrifugation du matériau dans sa phase liquide, passé ultérieurement
dans sa phase solide.
Une telle antenne à réflecteur centrifugé permet de gagner :
- environ 0,3 dB sur le gain ;
- une dizaine de décibels sur le niveau diffus du rayonnement ;
- un niveau contra-polaire abaissé d'environ 10 à 15 décibels ;
- ces performances étant obtenues avec la même source primaire.
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 annexées sur lesquelles :
- les figures 1 et 2 illustrent schématiquement une première
variante d'une antenne selon l'invention respectivement en coupe
longitudinale et en vue de face ;
- la figure 3 illustre la première variante de l'invention
représentée à la figure 1, avec adjonction d'éléments complémentaires,
- les figures 4 et 5 illustrent des courbes représentatives de la
première variante de l'antenne de l'invention,
- la figure 6 illustre une vue en coupe longitudinale partielle
d'une seconde variante de l'antenne selon l'invention,
- la figure 7 illustre une vue de face de la seconde variante de
l'antenne selon l'invention,
- les figures 8 et 9 illustrent une variante du duplexeur de
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polarisation de la seconde variante de l'antenne selon l'invention avec,
respectivement, une vue de face et une vue de côté,
- la figure 10 illustre une variante de la source de la seconde
varian-te de l'antenne selon l'invention,
S - la figure 11 illustre le fonctionnement de la seconde variante
de l'antenne selon l'invention.
Une première variante de l'antenne de l'invention, représentée sur
les figures 1 et 2 est une antenne monoréflecteur comportant une source
primaira 10 ici unipolaire avec une bride d'accès 11, e-t un réflecteur
12 obtenu par centrifugation d'un matériau dans une forme liquide qui a
été ensuite solidifiée. La source 10 est maintenue en place par des
bracons supports 13, dont la section peut être triangulaire, le sommet
du triangle regardant la face concave paraboloïdale du réflecteur 12.
L'invention consiste donc à remplacer le réflecteur paraboloïdal
de révolution classique, fabriqué soit en stratifié de verre soit en
métal, par un réflecteur paraboloïdal de tolérance de surface
extrêmement faible obtenu par centrifugation d'un matériau sous forme
liquide tel que du plastique fondu, ou du métal (cuivre ou aluminium par
exemple) en fusion.
Lorsque le réflecteur est obtenu par centrifugation d'un matériau
plastique (polyester par exemple), il reçoit ensuite le dépôt d'une
couche de métal (par exemple le shoopage d'une couche de zinc de
quelques dizaines de micromètres).
Le rayon de courbure et la focale d'un tel réflecteur dépendent de
la vitesse de centrifugation. La tolérance d'un réflecteur ainsi obtenu
est de l'ordre de 0,1 mm.
Comme représenté à la figure 3, on peut utiliser une antenne
monoréflecteur montée avec une couronne 15 équipée d'absorbant et
recouverte d'un radôme plat 16 de manière à obtenir, d'une part, une
meilleure résistance aux vents et, d'autre part, un niveau de
rayonnement à partir d'environ 80 de l'axe, du maximum plus bas d'une
dizaine à une quinzaine de décibels. Une telle variante permet
d'améliorer les performances radio- électriques de l'antenne de
l'invention.
Comme représenté également sur la figure 3, pour augmenter encore
les performances en contra-polarisation, les bracons supports 13 de la
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source primaire sont enrobés d'un absorbant hyperfréquence 17. Suivant
les zones angulaires considérées, le niveau du rayonnement contra-
polaire peut ainsi baisser de quelques décibels à une dizaine de
décibels.
Avantageusement le remplacement, dans une antenne, d'un réflecteur
paraboloïdal classiaue par un réflecteur parabolo';dal centrifugé selon
l'invention de même diamètre et de même focale ne change pas le système
de fixation et de montage. Seules sont changées les performances
radioélectriques qui sont nettement meilleures.
Pour profiter de l'augmentation des performances contra-polaires,
on peut avantageusement utiliser une source primaire de type cornet
corrugué.
Dans un exemple de réalisation, on peut considérer une antenne à
réflecteur parabolo';dal centrifugé illuminé par une source primaire
p]acée au f'oyer telle que :
- diamètre de l'antenne : 3,60 m ; ;'
- rapport focale/diamètre : 0,43 ; '
- tolérance de surface du réflecteur centrifugé : + 0,1 mm ;
- bande de fréquence : 5,925 - 6,425 GHz.
On obtient une courbe 20 représentative de l'enveloppe du
diagramme de rayonnement en co-polarisation soit E = f( ~) ( ~ angle
en degrés) représentée à la figure 4, comparée à la même courbe 21
obtenue pour une antenne utilisant un réflecteur paraboloidal classique,
NI étant le niveau isotropique.
On obtient également une courbe 22 représentative de l'enveloppe
du diagramme de rayonnement en contra-polarisation : E' = f( ~)
représentée à la figure 5, comparée à la même courbe 23 obtenue par une
antenne utilisant un réflecteur paraboloIdal classique.
Une seconde variante de l'antenne de l'invention porte sur une
antenne à optique cassegrain, telle que représentée sur la figure 6,
comprenant :
- deux réflecteurs paraboloï'daux confocaux 110 et 111, possédant le même
rapport focale/diamètre : soit - = -. Le réflecteur principal 110 est
obtenu par la technique dite d D de "centrifugation" définie
précédemment, soit en utilisant du métal (cuivre ou aluminium), soi-t en
réalisant le dépôt d'une couche métallique 126 sur du polyester par
13149~2
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exemple. Le sub-réflecteur 111 peut être obtenu par usinage dans la
masse. La précision des profils paraboloïdaux 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 s-tatifié polyester
soit en redressage métallique ou par "embouti" ; elle est en général
supérieure au millimètre pour des diamètres de réf]ecteurs de quatre
mètres. Ce paramètre contribue pour une grande part à la diminution des
valeurs en Gontra-polarisation.
- Une source primaire 112 de type cornet corrugué à profil exponentiel
118. Elle est définie pour avoir un centre de phase 0 le plus
stationnaire possible ce qui permet, dans une large bande de fréquence,
de maintenir ses excellentes performances contra-polaires. Un duplexeur
de polarisation 113 est disposé à l'extrémité libre du cornet corrugué
118.
Ce duplexeur de polarisation 113, fonctionnant suivant deux
polarisations orthogonales verticale et horizontale, comporte une partie
114 en guide circulaire et deux accès 115 et 116 en guide rec-tangulaire,
le second accès 116 étant aligné avec le guide circulaire 114, une
plaque réflectrice 117 étant disposée entre le niveau du premier accès
115 et le second accès 116.
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 114, l'onde à polarisation horizontale
frappe la plaque réflectrice 117 qui lui est parallèle. Elle se
réfléchit et passe dans le premier accès 115 tandis que l'onde à
polarisation verticale traverse normalemen-t (et perpendiculairement) la
plaque réflectrice 117 et arrive au deuxième accès 116. La réciprocité
est la suivante : une onde arrivant par le premier accès 115 se
réfléchit sur la plaque réflectrice 117 et sort par le guide circulaire
114. Le deuxième accès 116 est en quelque sorte "équilibré" car l'onde
venant de cet accès attaque le guide circulaire 114 par le centre.
Tandis que le premier accès 115, attaquant le guide circulaire 114 par
le bord, est plutôt "dissymétrique" et non équilibré.
Une lentille 119 se trouve à l'ouverture du cornet corrugué 118.
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
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de cette lentille 119 é-tant confondu avec le centre de phase O du cornet
corrugué 118. Elle est réalisée en matériau diélectrique par exemple en
polytétrafluoréthylène ou "téflon".
Mais les antennes cassegrain actuelles de grand rendement
(environ 0,70/0,75) peuvent avoir des réflecteurs principal 110 et
auxiliaire 111, à profils "conformés", c'est-à-dire, déformés de telle
manière que la phase d'illumination réfléchie du réflecteur principal
110 devienne pratiquement très faible (quelques degrés au lieu de
plusieurs dizaines de degrés), et que l'amplitude réfléchie par le
sub-réflecteur 111 soit uniforme. Or dans l'antenne selon l'invention,
le profil du réflecteur principal llO doit être paraboloïdal de part la
technique de centrifugation. Un profil "déformé" ou conformé ne peut
donc être obtenu par cette centrifugation. Par contre, le sub-réflecteur
lll 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.
Dans cette variante pour obtenir une antenne avec un rendement
meilleur, on peut conserver les deux réflecteurs llO, lll tels que
décrit précédemment et utiliser de plus une telle lentille 119
"conformée" en profil, en modifiant son diagramme de phase pour
permettre une illumination du réflecteur principal llO 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 110 centrifugé, et un sub-réflecteur 111
conformé, la lentille 19 subit une conformation telle que, pour les
ondes émises ou resues par le réflecteur principal 110, elle soit
pratiquement équivalente à une conformation de ce réflecteur principal
110. Une telle variante de l'antenne selon l'invention peut donc être
réalisée notamment de deux fasons - la première comprenant :
. un réflecteur principal 110 centrifugé avec un profil
nécessairement paraboloïdal,
. un sub-réflecteur lll usiné dans la masse à profil conformé
mais cette solution correspond à une "conformation à moitié".
- la seconde comprenant :
. un réflecteur principal 110 centrifugé et donc à profil
paraboloidal,
. un sub-réflecteur lll usiné dans la masse à profil conformé,
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. et en plus une lentille 119 à profil conformé en phase.
Comme représenté sur les figures 6 et 7 le support du
sub-réflecteur 111 est constitué par quatre brins 120 (ou bras)
positionnant et supportant ce sub-réflec-teur 111 avec précision. Ils
sont avantageusement placés "en croix". Ces quatre bras 120 sont fixés
sur la circonférence du réflecteur principal 110. De cette manière le
profil de ce dernier garde une parfaite continuité paraboloidale et
n'est donc pas modifié aux endroits où les quatre bras se fixent, comme
dans les antennes de l'art connu. De meme, 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 45 des axes
vertical et horizontal. De plus, la section de chaque bras 120 est de
préférence triangulaire (triangle isocèle), le sommet regardant la face
parabololdale du réflecteur principal 110. De cette manière, toute
réflexion du champ rayonné sur les quatre bras 120 sera minimisée ; ce
qui contribue à la diminution contra-polaire.
Dans une variante du duplexeur, comme représentée aux figures 8 et
9, le premier accès 115 est obtenu par un "T magique" dont les deux bras
122 et 123 rejoignent deux accès rectangulaires 124 et 125 (de dimension
du guide d'onde) diamètralement opposés sur la circonférence du guide
circulaire 114. Ce dispositif est équilibré.
Pour éviter l'encombrement de la source primaire 112, on peut
"plier" le cornet corrugué à l'aide d'un plan à 45 comme représenté sur
la figure 10, le cornet étant en position verticale.
En fonctionnement, tel que schématisé sur la figure ll, si l'on
considère l'émission, une onde sphérique ~ 1 se forme à l'ouverture du
cornet 118. Elle est transformée en onde plane 2 après avoir traversé
la lentille ll9. Cette dernière onde 2 après réflexion sur le
sub-réflecteur 111 paraboloïdal, devient une onde sphérique ~ 3 qui, se
réfléchissant sur le réflecteur principal paraboloidal llO, 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 4 venant de l'infini se réfléchit sur le
réflecteur principal paraboloidal 110. Elle devient une onde sphérique
~3 après réflexion et frappe le sub-réflecteur paraboloidal 111. A la
sortie elle devient une onde plane 2 qui frappe la lentille 119.
.
13~97~
g
Cette dernière la transforme en une onde sphérique 1 qui se propage
dans le cornet corrugué 118 et sor-t par les accès du duplexeur de
polarisation 113.
Dans un exemple de fonctionnemen-t de cette seconde variante, on
considère les valeurs suivantes :
- Bande de fréquence : 6,43 - 7,11 GHz ;
- Diamètre du réflecteur principal 10 : D = 4 m ;
~- Diamètre du sub-réflecteur 11 : d =0,60 m ;
- Rapport focale/diamètre : 0,45 ;
- Réflecteur principal 110 fabriqué par centrifugation : ce réflecteur
étant, par exemple, obtenu par centrifugation d'un matériau plastique
~uis par dépôt d'une couche de métal : par exemple par shoopage (ou
projection avec pistolet à flamme d'un métal fondu) d'une couche de zinc
de quelques dizaines de micromètres,
- sub-réflecteur 111 fabriqué par usinage dans la masse, par exemple
dans un métal tel que l'aluminium ;
- Tolérance de profil des réflecteurs : ~ + 0,1 mm ;
- Source primaire 112 : cornet corrugué à profil exponentiel,
d'ouverture 0,60 m de diamètre et de 0,90 m de long ;
- Lentille 119 dans l'ouverture du cornet : 0,60 m de diamètre ;
- Quatre bras 120 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 112 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 111 peut ne pas être confocal avec le
réflecteur principal 110, mais peut être hyperboloïdal ou ellipsoïdal.
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.
