EP1177601B1 - Antenne a reflecteur continu pour reception multiple de faisceaux de satellite - Google Patents

Antenne a reflecteur continu pour reception multiple de faisceaux de satellite Download PDF

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EP1177601B1
EP1177601B1 EP00922776A EP00922776A EP1177601B1 EP 1177601 B1 EP1177601 B1 EP 1177601B1 EP 00922776 A EP00922776 A EP 00922776A EP 00922776 A EP00922776 A EP 00922776A EP 1177601 B1 EP1177601 B1 EP 1177601B1
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antenna
plane
antenna according
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EP00922776A
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Pascal Cousin
Jean-Louis Desvilles
Jean-Pierre Blot
Jean-Jacques Delmas
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Telediffusion de France ets Public de Diffusion
Orange SA
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Telediffusion de France ets Public de Diffusion
France Telecom SA
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    • H01Q3/18—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems for varying relative position of primary active element and a reflecting device wherein the primary active element is movable and the reflecting device is fixed

Definitions

  • the present invention relates to an antenna reception, or even transmission, of beams of satellite telecommunications.
  • the invention relates to a antenna with a single reflector having a wide field of vision to receive multiple broadcasting satellite beams geostationaries deputy of fifty degrees between them, without using a motorized means to move the reflector.
  • the antenna is intended especially to domestic installations in detached houses, to facilities buildings in buildings or installations community used to feed heads of cable networks to receive multiple transmitted beams by radiocommunication satellites.
  • the antenna of the invention can also be used for professional applications such as data networks.
  • the individual receiving antenna for most commercially available satellite beams currently for the general public includes a fixed reflector with a reflecting surface paraboloid of revolution of circular diameter or with a long elliptical axis between 50 and 90 cm.
  • the axis of symmetry of the reflector is pointed towards the satellite.
  • a fixed receiving head is usually by arms and positioned at the focus single reflector.
  • the antenna captures the emissions of these various satellites by means of one or two heads of reception. But, when the user wishes to receive several more satellite beams depointed about ten degrees, the reflector must be turned and directed towards the chosen satellite either by a motorization either manually. So this reflector antenna does not provide reception several satellites simultaneously.
  • the antennas generally used for multisatellite reception include a reflector shape of a parabolic or spherical torus. This kind of reflector has a low efficiency of at most 24% which is only due to an illumination following a direction given that from a small part of the reflector. As a result, the scanning capabilities from a primary receiving source before this reflector are improved only at the cost of a considerable increase in the surface of the reflector.
  • US Patent 5,140,337 describes a reflector antenna with high opening efficiency having a substantially concave reflecting surface cylindrical with cross sections deduced from two identical parabolas with inclined axes and symmetrical with respect to an azimuth plane.
  • US patent 5,175,562 from the same inventor, Carey M.
  • Rappaport discloses an off-center antenna offset type with high efficiency while preserving a wide field of vision between - 30 ° and + 30 °; the concave reflecting surface of the reflector of the antenna is deduced from two dishes identical with axes inclined and symmetrical with respect to to the line of sight of the antenna, and is described by a sixth degree polynomial equation.
  • Patent application EP-0 700 118 discloses also a continuous concave reflecting surface reflector but which is deducted from a portion of classical paraboloid by a linear variation of the dimension of a point parallel to the axis of the paraboloid depending on the wavelength.
  • This reflective surface gives in practice relatively small gains for directions of radiation stripped of a few tens of degrees relative to the focus of the dish.
  • the object of the invention is to provide a fixed antenna reflector whose surface reflective is deduced from a single paraboloid according to an optimal formulation algorithm equation to receive multiple highly deviated satellite beams between them by several primary sources positioned in a wide opening of the order of 50 ° with a stable directivity and angular separation relatively low, a few degrees, and therefore a greater opening efficiency, around 40 % to 50%, than reflectors according to the technique mentioned above.
  • Optimization of the reflective surface improves average yield across the field of vision of the antenna, without rising lobes strongly asymmetrical secondary when the beams describe the geostationary orbit.
  • the invention relates, like the aforementioned patent application EP-0 700 118, to an antenna comprising a reflector for beams of telecommunications satellite, having a continuous concave reflecting surface whose equation is deduced from that of an eccentric dish of focus and offset angle by adding to it the equation of a correction surface and which is symmetrical with respect to a plane of focal symmetry of the paraboloid.
  • the focal distance between the focal point of the dish and the center of the reflective surface is between 30 times and 45 times the average wavelength of the beams satellite, approximately 0.75 m and 1.1 m in Ku band for a frequency close to 12 GHz, and the offset angle between the paraboloid axis and the segment joining the focus to the center of the surface reflective is between about 20 ° and about 30 °.
  • the antenna is of the offset type, and the outline of the reflector is generally of the type substantially circular or elliptical or rectangular and the antenna is contained in a cubic meter.
  • the invention also aims to provide a support of primary sources having a design relatively simple and therefore inexpensive, while easily ensuring pointing of primary sources precise by reflection on the reflector towards satellites located on the geostationary orbit which is not straight in regions not equatorial.
  • Support supports primary sources oriented towards the center of the surface reflective. It can be shaped like an arc circle, preferably at an angle of about 50 °.
  • the support does not pass through the focal point of the dish and is contained in a support plane and is positioned so that the phase center of a source located in the focal plane of symmetry substantially coincides with the focus of the dish.
  • the tilt of the plane support relative to the axis of the dish is greater than the offset angle between the axis of the dish and the segment joining the focal point in the center of the reflective surface. This tilt adapts the position of the support and therefore of the sources depending on the latitude of the antenna.
  • the tilt of the support plane depends on a logarithmic function of the offset angle and a linear function of the latitude of the antenna.
  • the difference between the tilt of the support plane and the offset angle can be between approximately 10 ° and approximately 20 ° for an antenna latitude included between 30 ° and 60 °.
  • the radius of the support can have a radius which is proportional to the focal distance between the focal point of the dish and the center of the reflective surface and which depends on a trigonometric function of the inclination of the support plane and the angle offset.
  • Support can be rotatably mounted around of a fixed axis with respect to the reflector and passing by the ends of the support and perpendicular to the focal plane of the dish containing the center of the reflector to select precisely the inclination of the support plane.
  • the antenna at reflector according to the invention minimizes the errors of pointing the beams towards the geostationary orbit whatever the latitude of the antenna where it is installed.
  • the invention also relates to at least two primary sources mounted on the support having a angular separation of radiation at most equal to 3 ° approximately in order to receive satellite beams very close without significant disturbance between them, this which helps achieve excellent coverage reception over an angular range greater than 50 °.
  • At least one primary source is in cornet and has a section cylindrical rear, a frustoconical section diameter intermediate large base substantially less than twice the average diameter of the section rear, and a tapered front section of length significantly greater than twice the length of the intermediate section and a large base diameter substantially equal to twice the average diameter of the rear section.
  • the directivity of the primary source in cornet is improved when it includes a facial throat located at the periphery of the large base of the section frustoconical front, having a width substantially equal to an eighth of the diameter of the large base of the front section, and limited by an outer side more as long as the inner side of the throat.
  • At least one primary source is in dielectric candle.
  • This source in dielectric candle may include a dielectric candle having first, second and third cylindrical sections of length substantially identical and having diameters decreasing from one section to the next from one back end toward a front end of the source in ratios between about 3/4 and 9/16 approximately and between 1/2 approximately and 2/3 about.
  • the source dielectric candle can include a candle dielectric comprising a first section cylindrical, second and third sections having lengths substantially equal to half a minimum length of first section and diameters less than the diameter of the first section and in a ratio of substantially 2/3 to 7/8 between them, and fourth, fifth and sixth sections with lengths substantially equal to a third of the length minimum of the first section and the diameters smaller than the diameter of the third section and in ratios of substantially 3/4 to 7/8 of a section next.
  • Primary candle source may include also a metallic groove extending partially around the first longer stretch diameter of the dielectric candle, having a width between approximately the eighth and the sixth about the diameter of the first section, and limited by an outer side longer than an inner side of the throat.
  • Telecommunication antennas according the invention described below are, by way of example, intended to operate in a band of carrier frequency of use greater than gigahertz, particularly between 10.5 GHz approximately and 14.5 GHz approximately, in order to receive telecommunications beams emitted by geostationary telecommunications satellites on an orbit close to the equator.
  • the dimensions of components of the receiving antenna are indicated below with respect to a wavelength predetermined mean ⁇ corresponding to the frequency center of a frequency band of use including the carrier frequencies of satellites.
  • the average wavelength is equal to 2.5 cm and corresponds to the frequency 12 GHz central carrier.
  • an antenna according to the invention essentially comprises a fixed reflector 1, several primary microwave sources 2 and a source support 3.
  • the sources 2 are positioned facing the concave reflecting surface 11 of the reflector 1 and along a planar and substantially circular focal line passing near a focal point F and transverse thereto.
  • These sources simultaneously receive beams from telecommunications or broadcasting satellites separated from each other by at most a few degrees approximately, typically approximately three degrees, on the geostationary orbit in an antenna coverage angle 2 ⁇ max of at most one about fifty degrees, that is to say a maximum deflection of the beams of ⁇ 25 °.
  • ⁇ max at most one about fifty degrees, that is to say a maximum deflection of the beams of ⁇ 25 °.
  • at most fifteen primary sources 2 are positioned on the support 3 respectively as a function of the position of fifteen satellites relative to the terrestrial position of the antenna.
  • the surface and the contour of the reflector 1 as well that the geometry of the source support 3 are designed to meet beam reception standards broadcasting satellites.
  • the reflector has a maximum dimension less than 1 metre.
  • the reflector conformed according to the preceding equation is obtained by adding a correction surface z c (x, y) to an initial parabolic reflector coming from a paraboloid with circular section, with horizontal axis of symmetry OZ and focal point F.
  • f is the geometric focal length between the vertex O of the initial paraboloid, confused with the origin of the initial coordinate system (O, X, Y, Z), and the geometric focal point F of the paraboloid and the reflector 1.
  • f ' is the equivalent focal length of the reflector between the center C of the opening of the reflector and the geometric focus F of the reflector.
  • ⁇ designates the offset angle of the reflector between the optical axis Cz of the reflector parallel to the axis OZ of the paraboloid and the segment CF of the equivalent focal length.
  • the reflecting surface 11 being symmetrical compared to the elevation plan (site) yCz, it is defined by interpolation of control points arranged on a regular grid of meshes rectangular in one of the xCy half-planes of the opening of the reflector limited by the plane of focal symmetry yCz.
  • the number of checkpoints is N x N by quadrant in the coordinate system xCy, N being a integer greater than or equal to 2.
  • the total number I of points control is N (2N-1).
  • the equation of the correction surface has I + 4 coefficients a 1 to a I and b 1 to b 4 and a dimensionless parameter ⁇ representing the normalized width of the interpolation domain with respect to the equivalent focal length f '.
  • variable r i (x, y) is a function of the distance (y- ⁇ .f'.y i ) 2 + (x- ⁇ .f'.x i ) 2 between the projection of any point on the surface reflective 11 with coordinates (x, y) on the xCy plane and one ( ⁇ .f'.x i , ⁇ .f'.y i ) of the N (2N-1) grid control points, at product ⁇ f 'close.
  • the I + 4 coefficients of the correction surface z c (x, y) are calculated by solving a linear system of I + 4 equations from the dimensions z i of the control points.
  • the odds z i are unknowns which are obtained by following the two separate steps below.
  • approximate values of z i are calculated using an analytical formulation based on a Taylor series decomposition of aberrations, such as stigmatism and aplanetism.
  • the Taylor series is in order 6 to achieve sufficient precision in determining the z-score.
  • the equation obtained for the correction surface is configurable as a function of the position of an extreme primary source 2E of coordinates (x E , y E , z E ), which is the most offset along the circular support 3 relative to the plane of symmetry yCz, and as a function of the maximum opening angle ⁇ max of the antenna equal to the defocusing angle of the extreme source, as shown in FIG. 1.
  • This equation is presented in the following form:
  • the angular range of antenna coverage depends on the parameter ⁇ which defines a family of reflective surfaces.
  • the invention thus relates to a set of reflective surfaces having similar shapes and substantially identical radio performance.
  • ⁇ the field of vision increases; below the threshold of about 0.5, the average efficiency of the reflector decreases excessively resulting in significant differences in directivity between the central beam and the most offset extreme beam.
  • a value of ⁇ close to 0.54 or 0.55 is recommended to ensure a maximum coverage of 2 ⁇ of around fifty degrees.
  • the cutting of the reflecting surface 11 of the reflector, the projection of which along the axis Cz on the plane xCy is shown in FIG. 6, is not necessarily circular or elliptical. It is generalized to a "superquadric" form whose Cartesian equation is as follows:
  • A denotes the half-axis of the next reflector the azimuth axis x
  • B denotes the half-axis of the reflector along the elevation axis y of the offset direction of the reflector
  • ⁇ is a definite positive real number below.
  • the parameters used to define this curve are optimized so as to minimize the size of the reflector and to maintain the ratio (equivalent focal length f '/ maximum dimension 2A) at a value less than one. Their respective values are shown below as an example: A / ⁇ ⁇ 20, 1.3 ⁇ A / B ⁇ 1.4, 1.0 ⁇ ⁇ ⁇ 3,
  • ⁇ being the wavelength corresponding to the center frequency of the frequency band use.
  • the parameters A and ⁇ are chosen so that the reflector 1 either in accordance with national installation regulations individual satellite reception antennas, i.e. has a maximum dimension 2A less than 98 cm in Ku band for France. These parameters are also used to adjust the area and therefore the gain of the reflector as a function of the intended application.
  • the shape of the surface outline reflective can be changed significantly to improve the aesthetics of the reflector without altering the performance of it.
  • Each of the primary sources 2 comprises, according to a first realization, a horn comprising a rear cylindrical section 21, a section intermediate frustoconical 22, a frustoconical section front 23 and a circular facial groove 24, as shown in Figures 7 and 9.
  • Exact geometric dimensions of horn 2 according to a preferred embodiment are specified in the sectional view shown in Figure 9. All dimensions are standardized with respect to the wavelength ⁇ corresponding to the frequency center of the frequency band of use.
  • L1 typically equal to 1.67 ⁇
  • L3 is substantially equal to 2.L2
  • D1 typically equal to 0.7 ⁇
  • the diameters D2 and D3 of the large bases of the sections frustoconical 22 and 23 are respectively significantly less than 2.D1 and substantially greater than 2.D1.
  • the groove 24 is located on the periphery of the large base of the frustoconical section before 23 and in the extension of it. It helps to flatten the wave plane at the outlet of the horn and to increase so the directivity of it for a width of band of around 4 GHz in which the horn has a gain of around 15 dBi on average.
  • the interior profile of the horn 2 of the invention gives it greater compactness and achieves separation angle of 3 ° between consecutive beams while maintaining the ratio f '/ 2A of the low reflector, less than one. This profile also allows minimize the cost of manufacturing the horn by molding.
  • a source primary is a dielectric source 4 called source in "candle” or “cigar” whose geometric dimensions are shown in Figure 10 according to a preferred example.
  • the candle source 4 also has a gain of around 15 dBi on average in the band useful 4 GHz and provides center shift of phase P4 of the order of a centimeter for a width of frequency band of around 4 GHz to compensate chromatic aberration of the reflector.
  • the candle source 4 includes a "candle" dielectric comprising cylindrical sections whose diameters decrease from one end back toward a front end facing the reflector.
  • the sections are a cylindrical section back 41 partially contained in a guide single-mode metallic 40, protruding over a length minimum l1 ⁇ 1.28 ⁇ and having a diameter d1 of 0.7 ⁇ to about 0.8 ⁇ , two cylindrical sections intermediate 42 and 43 of length L23 equal to about 0.6 ⁇ and respective diameters d2 ⁇ (3/4) d1 ⁇ 0.64 ⁇ and d3 ⁇ (7/8) d2 ⁇ 0.56 ⁇ and three thinner front sections 44, 45 and 46 L456 equal to approximately (2/3) L23 ⁇ 0.4 ⁇ and respective diameters d4 ⁇ (3/4) d2 ⁇ 0.48 ⁇ , d5 ⁇ (2/3) d2 ⁇ 0.40 ⁇ and d6 ⁇ (1/2) d2 ⁇ 0.32 ⁇ .
  • the dielectric at low relative permittivity close to 2
  • Source 4 also includes a groove metallic face 47 in the metal guide 40, extending around the rear part of the section back of dielectric candle 47, and having a external diameter d7 ⁇ 3/2 d1 ⁇ 1.2 ⁇ .
  • a side outer 471 of throat 47 has a length L7 ⁇ l1 / 2 ⁇ 0.56 ⁇ longer than length L8 ⁇ l1 / 4 ⁇ 0.32 ⁇ on an internal side 472 of the groove.
  • the throat has thus a width between (1/8) d1 approximately and (1/6) d1 approximately.
  • the waveguide 40 is entirely charged with dielectric, or has a cone impedance matching 48 of length included between 1.5 ⁇ and 2.5 ⁇ in order to achieve the transition from the dielectric candle to the empty waveguide.
  • focal length f or f 'equal, source in candle 4 is less bulky by at least 25% in diameter and thus ensures angular separation of bundles of about 2 °.
  • the focal length f or f 'of the reflector is reduced by about 20% when the primary source is a candle source with a charging dielectric the waveguide 40 is at low permittivity and low loss.
  • the support 3 is a toroidal tube of which the semicircular axis SS has a center CS distinct from the center C of the reflecting surface 11, as shown in figure 11.
  • the circular axis SS passes substantially below the focal point F of the reflector where the phase center P2 (or P4, figure 10) of a source central primary 2F located in the plane of symmetry vertical yCz of the reflector is positioned exactly, and is contained in a PS plane whose inclination ⁇ with respect to the horizontal plane XOZ is fixed by the latitude L of the antenna, as shown in figures 1 and 11.
  • the radius R of the support is included between approximately 1 m and approximately 1.2 m, and the inclination ⁇ is between approximately 35 ° and approximately 40 ° for an offset angle ⁇ of 25 °.
  • the inclination ⁇ is equal to 38.3 ° and the radius R is equal to 1.1 m.
  • the tilt ⁇ of the separate PS support plane of the focal plane xCF is chosen according to the latitude L of the antenna so that sources 2, 4 mounted on the support can be pointed from optimally along a focal line (figure 13) corresponding to the geostationary orbits of targeted satellites.
  • This tilt ⁇ is set to ⁇ 5 ° by rotation of the support 3 around the first ends 31 of arms 30, as shown in Figure 12.
  • the support 3 is for example from a tube light metallic section equal to 20 mm whose circular curvature is achieved by bending. It is immobilized relative to the reflector 1 proper by means of two bent side arms 30 having first ends 31 articulated at the ends of the support (figure 12) at and from the second ends nested 32 in consoles fixed against the face convex rear of the reflector ( Figure 1).
  • the support 3 is pierced with diametrical holes 33 regularly spaced to selectively fix elbow clamps 34 from primary sources 2 or 4, as shown in figure 7.
  • Each collar of fixing grips the rear waveguide 21, 40 primary source 2, 4 and has a groove 35 to semi-cylindrical bottom to receive the support 3.
  • In the sides of the groove 35 are formed two longitudinal slide 36 diametrically opposite which are crossed by a threaded clamping rod 37 passing through a hole 33 of the source support so slide the collar 34 with the primary source 2, 4 on the support 3 and position the source primary to ensure continuous aiming of the orbit geostationary.
  • the fixing collars 34 are oriented with an angle ⁇ - ⁇ relative to the plane of symmetry PS of the support so as to point the sources towards the center C of the reflector, as shown in Figures 2 and 12.
  • the angle ⁇ - ⁇ remains identical whatever the lateral displacement of the source along the support and is between approximately 10 ° and approximately 20 °. Under a latitude L of 45 ° from the antenna, the angle ⁇ - ⁇ is 13.1 °.
  • the PS plane of support 3 When the antenna is installed under another latitude as 30 to 60 °, the PS plane of support 3 has an inclination ⁇ of between 35 ° for regions close to the equator and 55 ° for regions near the North Pole.
  • the geometry of the support 3 of the sources 2, 4 is extremely simplified in order to reduce its manufacturing cost and facilitate the installation of the sources by quick and easy pointing to the desired satellites.
  • This intrinsic property is only obtained thanks to the set of coefficients a i and b i associated with the very particular choice of the parameters ⁇ - ⁇ , ⁇ and R, which are used to define the geometry of the support.
  • other types of support as described in patents FR-2,685,131 and EP-0 700 118 can be used.
  • SA about 3 °
  • the maximum of each beam perfectly coincides with the OG geostationary orbit on a beach angular greater than 55 ° ([-27.5 °, 27.5 °]).
  • the antenna is designed according to the preferred embodiment to operate in latitudes close to 45 °, that is to say for latitudes between 30 ° approximately and 60 ° approximately without it being necessary to add elevation settings, that is to say settings for the angle ⁇ - ⁇ or the angle ⁇ , on the positioning of primary sources.
  • the antenna of the invention is reproducible for other uses than multi-satellite reception in Ku band.
  • the setting of all the dimensions of the antenna as a function of the frequency extends the field of the invention to multimedia applications.

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Description

La présente invention concerne une antenne de réception, voire d'émission, de faisceaux de télécommunications de satellite.
Plus particulièrement, l'invention a trait à une antenne avec un réflecteur unique présentant un large champ de vision pour recevoir simultanément plusieurs faisceaux de satellites de télédiffusion géostationnaires dépointés d'une cinquantaine de degrés entre eux, sans utiliser un moyen motorisé pour déplacer le réflecteur. L'antenne est destinée notamment à des installations domestiques dans des maisons individuelles, à des installations collectives dans des immeubles ou à des installations communautaires servant à l'alimentation de têtes de réseaux câblés pour recevoir plusieurs faisceaux émis par des satellites de radiocommunications.
L'antenne de l'invention peut également être utilisée pour des applications professionnelles telles que des réseaux de diffusion de données.
L'antenne de réception individuelle pour faisceaux de satellite la plus commercialisée actuellement pour le grand public comprend un réflecteur fixe dont la surface réfléchissante est un paraboloïde de révolution de diamètre circulaire ou de grand axe elliptique compris entre 50 et 90 cm. L'axe de symétrie du réflecteur est pointé vers le satellite. Une tête de réception fixée est généralement par des bras et positionnée au foyer unique du réflecteur.
Lorsque le satellite visé a une position orbitale très voisine d'autres satellites géostationnaires, l'antenne capte les émissions de ces divers satellites au moyen d'une ou deux têtes de réception. Mais, lorsque l'usager souhaite recevoir plusieurs faisceaux de satellites dépointés de plus d'une dizaine de degrés, le réflecteur doit être tourné et dirigé vers le satellite choisi soit par une motorisation soit manuellement. Ainsi, cette antenne à réflecteur n'assure pas la réception simultanée de plusieurs satellites.
Les antennes généralement utilisées pour la réception multisatellite comprennent un réflecteur en forme de tore parabolique ou sphérique. Ce type de réflecteur présente une faible efficacité d'au plus 24% qui n'est due qu'à une illumination suivant une direction donnée que d'une faible partie du réflecteur. En conséquence, les capacités de balayage d'une source primaire de réception devant ce réflecteur sont améliorées qu'au prix d'une augmentation considérable de la surface du réflecteur.
Le brevet US-5 140 337 décrit un réflecteur d'antenne avec une efficacité d'ouverture élevée ayant une surface réfléchissante concave sensiblement cylindrique dont les sections transversales sont déduites de deux paraboles identiques à axes inclinés et symétriques par rapport à un plan azimutal. L'article de William P. Craig, Carey M. Rappaport et Jeffrey S. Mason intitulé "A High Aperture Efficiency, Wide-Angle Scanning Offset Reflector Antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 41, No. 11, novembre 1993, pages 1481-1490, concerne également une surface réfléchissante de réflecteurs issus de deux paraboles inclinées et symétriques mais pour former la section d'un tore. Le brevet US 5 175 562 du même inventeur, Carey M. Rappaport, divulgue une antenne excentrée de type offset ayant une grande efficacité tout en préservant un large champ de vision entre - 30° et + 30° ; la surface réfléchissante concave du réflecteur de l'antenne est déduite de deux paraboloïdes identiques à axes inclinés et symétriques par rapport à l'axe de visée de l'antenne, et est décrite par une équation polynomiale du sixième degré.
Toutefois, la géométrie de ces réflecteurs n'est pas satisfaisante pour une réception individuelle en raison de la distance focale de ces réflecteurs trop longue. Ils nécessitent des sources primaires de réception extrêmement directives de grand diamètre augmentant ainsi l'encombrement de l'antenne, et la séparation angulaire de rayonnement entre faisceaux consécutifs est supérieure à 6°.
La demande de brevet EP-0 700 118 divulgue également une surface réfléchissante concave continue de réflecteur mais qui est déduite d'une portion de paraboloïde classique par une variation linéaire de la cote d'un point parallèle à l'axe du paraboloïde en dépendance de la longueur d'onde.
Cette surface réfléchissante confère en pratique des gains relativement faibles pour des directions de rayonnement dépointées de quelques dizaines de degré par rapport au foyer du paraboloïde.
L'invention a pour objectif de fournir un réflecteur fixe d'antenne dont la surface réfléchissante est déduite d'un unique paraboloïde selon un algorithme de formulation optimale d'équation afin de recevoir simultanément plusieurs faisceaux de satellite fortement dépointés entre eux par plusieurs sources primaires positionnées dans une large ouverture de l'ordre de 50° avec une directivité stable et une séparation angulaire relativement faible, de quelques degrés, et donc une plus grande efficacité d'ouverture, de l'ordre de 40 % à 50 %, que les réflecteurs selon la technique antérieure évoquées ci-dessus.
L'optimisation de la surface réfléchissante améliore le rendement moyen sur l'ensemble du champ de vision de l'antenne, sans remontée de lobes secondaires fortement dissymétriques lorsque les faisceaux décrivent l'orbite géostationnaire.
L'invention concerne, comme la demande de brevet précitée EP-0 700 118, une antenne comprenant un réflecteur pour faisceaux de satellite de télécommunications, ayant une surface réfléchissante concave continue dont l'équation est déduite de celle d'un paraboloïde excentré de foyer et d'angle d'offset en y additionnant l'équation d'une surface de correction et qui est symétrique par rapport à un plan de symétrie focal du paraboloïde. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, l'antenne de l'invention est caractérisée en ce que l'équation de la surface de correction est le polynôme suivant du deuxième degré en deux coordonnées x, y relatives à des axes perpendiculaires à l'axe de symétrie du paraboloïde :
Figure 00040001
   où N est un entier au moins égal à 2, ri(x,y) = [(y-γ,f'-yi)2 + (x-γ.f'.xi)2 + (x+γ.f'.xi)2]1/2 désigne une distance entre la projection d'un point quelconque de la surface réfléchissante de coordonnées x et y sur un plan perpendiculaire au plan de symétrie et un point de contrôle de coordonnées xi et yi d'une grille s'étendant sur ledit plan perpendiculaire et limitée par le plan de symétrie, ai et b1 à b4 sont des coefficients prédéterminés, γ est un paramètre sans dimension et f' est la distance focale entre le foyer du paraboloïde et le centre de la surface réfléchissante.
La plupart des termes de l'équation de la surface de correction ont un coefficient dépendant de la distance focale f' et du paramètre sans dimension γ. Ce dernier est fonction de l'étendue du champ de vision du réflecteur et a une valeur de l'ordre de 0,55 qui permet de contrôler le champ de vision du réflecteur.
Pour des latitudes de l'antenne comprises entre 30° et 60°, il est recommandé que la distance focale entre le foyer du paraboloïde et le centre de la surface réfléchissante soit comprise entre 30 fois et 45 fois une longueur d'onde moyenne des faisceaux de satellite, soit approximativement 0,75 m et 1,1 m en bande Ku pour une fréquence voisine de 12 GHz, et l'angle d'offset entre l'axe de paraboloïde et le segment joignant le foyer au centre de la surface réfléchissante est compris entre environ 20° et environ 30°.
En pratique, l'antenne est du type offset, et le contour du réflecteur est en général de type sensiblement circulaire ou elliptique ou rectangulaire et l'antenne est contenue dans un mètre-cube.
L'invention a également pour objectif de fournir un support de sources primaires ayant une conception relativement simple et donc peu coûteuse, tout en assurant aisément un pointage des sources primaires précis par réflexion sur le réflecteur vers des satellites situés sur l'orbite géostationnaire qui n'est pas rectiligne dans des régions non équatoriales.
Le support supporte des sources primaires orientées vers le centre de la surface réfléchissante. Il peut être en forme d'arc de cercle, de préférence sur un angle de 50° environ. Le support ne passe pas par le foyer du paraboloïde et est contenu dans un plan de support et est positionné afin que le centre de phase d'une source située dans le plan de symétrie focal coïncide sensiblement avec le foyer du paraboloïde. L'inclinaison du plan de support par rapport à l'axe du paraboloïde est supérieure à l'angle d'offset entre l'axe du paraboloïde et le segment joignant le foyer au centre de la surface réfléchissante. Cette inclinaison adapte la position du support et donc des sources en fonction de la latitude de l'antenne. En particulier, l'inclinaison du plan de support dépend d'une fonction logarithmique de l'angle d'offset et d'une fonction linéaire de la latitude de l'antenne. La différence entre l'inclinaison du plan de support et l'angle d'offset peut être comprise entre 10° environ et 20° environ pour une latitude d'antenne comprise entre 30° et 60°.
Le rayon du support peut avoir un rayon qui est proportionnel à la distance focale entre le foyer du paraboloïde et le centre de la surface réfléchissante et qui dépend d'une fonction trigonométrique de l'inclinaison du plan de support et de l'angle d'offset.
Le support peut être monté à rotation autour d'un axe fixe par rapport au réflecteur et passant par les extrémités du support et perpendiculaire au plan focal du paraboloïde contenant le centre du réflecteur afin de sélectionner précisément l'inclinaison du plan du support.
Actuellement, il n'existe pas d'antenne multifaisceau sans ajustement du pointage des sources en fonction de la latitude de la station. Les caractéristiques précitées du support de l'invention et particulièrement le dimensionnement du rayon du support et l'orientation du support élimine toute forme de réglage transverse au déplacement latéral des sources. Il en résulte une amélioration substantielle dans l'ergonomie du montage de l'antenne par une simplification du pointage des faisceaux sur l'orbite géostationnaire. Ainsi, contrairement à la technique antérieure, l'antenne à réflecteur selon l'invention minimise les erreurs de pointage des faisceaux vers l'orbite géostationnaire quelle que soit la latitude de l'antenne où elle est installée.
L'invention concerne également au moins deux sources primaires montées sur le support ayant une séparation angulaire de rayonnement au plus égale à 3° environ afin de capter des faisceaux de satellites très proches sans perturbation notable entre eux, ce qui contribue à atteindre une excellente couverture de réception sur une plage angulaire supérieure à 50°.
Selon une première réalisation, au moins une source primaire est en cornet et a un tronçon cylindrique arrière, un tronçon tronconique intermédiaire de diamètre de grande base sensiblement inférieur au double du diamètre moyen du tronçon arrière, et un tronçon tronconique avant de longueur sensiblement supérieure au double de la longueur du tronçon intermédiaire et un diamètre de grande base sensiblement égal au double du diamètre moyen du tronçon arrière.
La directivité de la source primaire en cornet est améliorée lorsqu'elle comprend une gorge faciale située à la périphérie de la grande base du tronçon tronconique avant, ayant une largeur sensiblement égale au huitième du diamètre de grande base du tronçon avant, et limitée par un côté externe plus long que le côté interne de la gorge.
Selon une deuxième réalisation, au moins une source primaire est en cierge diélectrique. Cette source en cierge diélectrique peut comprendre un cierge diélectrique comportant des premier, deuxième et troisième tronçons cylindriques de longueurs sensiblement identiques et ayant des diamètres diminuant d'un tronçon au suivant depuis une extrémité arrière vers une extrémité avant de la source dans des rapports compris entre 3/4 environ et 9/16 environ et compris entre 1/2 environ et 2/3 environ. Selon une autre variante, la source en cierge diélectrique peut comprendre un cierge diélectrique comportant un premier tronçon cylindrique, des deuxième et troisième tronçons ayant des longueurs sensiblement égales à la moitié d'une longueur minimale du premier tronçon et des diamètres inférieurs au diamètre du premier tronçon et dans un rapport de sensiblement 2/3 à 7/8 entre eux, et des quatrième, cinquième et sixième tronçons ayant des longueurs sensiblement égales au tiers de la longueur minimale du premier tronçon et des diamètres inférieurs au diamètre du troisième tronçon et dans des rapports de sensiblement 3/4 à 7/8 d'un tronçon au suivant.
La source primaire en cierge peut comprendre également une gorge métallique s'étendant partiellement autour du premier tronçon de plus grand diamètre du cierge diélectrique, ayant une largeur comprise entre le huitième environ et le sixième environ du diamètre du premier tronçon, et limitée par un côté externe plus long qu'un côté interne de la gorge.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaítront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels :
  • la figure 1 est une vue en perspective d'une antenne selon l'invention ;
  • la figure 2 et une vue de côté du réflecteur de l'invention par rapport au repère d'un paraboloïde initial ;
  • la figure 3 est une vue en perspective d'une surface de correction par rapport au paraboloïde initial, entrant dans l'équation du réflecteur ;
  • les figures 4 et 5 sont des graphes montrant deux exemples de grilles symétriques de points de contrôle pour interpoler la surface réfléchissante du réflecteur ;
  • la figure 6 est une vue de face de la surface réfléchissante du réflecteur avec un contour préféré
  • la figure 7 est une vue de côté d'une source primaire en cornet avec un collier de fixation, selon une première réalisation ;
  • la figure 8 est une vue en perspective du collier de fixation ;
  • la figure 9 est une vue en coupe axiale de la source primaire en cornet ;
  • la figure 10 est une vue en coupe axiale d'une source primaire en cierge selon une deuxième réalisation ;
  • la figure 11 est une vue schématique en perspective montrant un plan dans lequel un support de source primaire de l'antenne est développé ;
  • la figure 12 est une vue en perspective du support monté à rotation autour de ses extrémités ; et
  • la figure 13 montre des diagrammes de rayonnement de faisceaux radioélectriques captés par des sources primaires de l'antenne selon l'invention.
Les antennes de télécommunications selon l'invention décrites ci-après sont, à titre d'exemple, prévues pour fonctionner dans une bande de fréquence porteuse d'utilisation supérieure au gigahertz, particulièrement comprise entre 10,5 GHz environ et 14,5 GHz environ, afin de recevoir des faisceaux de télécommunications émis par des satellites de télécommunications géostationnaires sur une orbite proche de l'équateur. Les dimensions des éléments constitutifs de l'antenne de réception sont indiquées ci-après par rapport à une longueur d'onde moyenne prédéterminée λ correspondant à la fréquence centrale d'une bande de fréquence d'utilisation incluant les fréquences porteuses d'émission des satellites. Typiquement, la longueur d'onde moyenne est égale à 2,5 cm et correspond à la fréquence porteuse centrale de 12 GHz.
En référence aux figures 1 et 2, une antenne selon l'invention comprend essentiellement un réflecteur fixe 1, plusieurs sources primaires hyperfréquences 2 et un support de source 3. Sur le support, les sources 2 sont positionnées en regard de la surface réfléchissante concave 11 du réflecteur 1 et le long d'une ligne focale plane et sensiblement circulaire passant à proximité d'un foyer F et transversalement à celle-ci. Ces sources reçoivent simultanément des faisceaux de satellites de télécommunications ou de télédiffusion séparés entre eux d'au plus quelques degrés environ, typiquement trois degrés environ, sur l'orbite géostationnaire dans un angle de couverture d'antenne 2 αmax d'au plus une cinquantaine de degrés environ, soit un dépointage maximum des faisceaux de ± 25° environ. Par exemple, au plus une quinzaine de sources primaires 2 sont positionnées sur le support 3 respectivement en fonction de la position de quinze satellites relativement à la position terrestre de l'antenne.
La surface et le contour du réflecteur 1 ainsi que la géométrie du support de source 3 sont conçus pour satisfaire des normes de réception de faisceaux de satellites de télédiffusion. En particulier, le réflecteur a une dimension maximale inférieure à 1 mètre.
La surface réfléchissante concave 11 du réflecteur 1 a une géométrie représentée par l'équation mathématique suivante dans un repère (C, x, y, z) : z(x,y) = zp(x,y) + zc(x,y).
Le réflecteur conformé selon l'équation précédente est obtenu en ajoutant une surface de correction zc(x,y) à un réflecteur parabolique initial issu d'un paraboloïde à section circulaire, à axe de symétrie horizontal OZ et de foyer F. L'équation du paraboloïde s'écrit après un changement de repère (0,X,Y,Z) en C(x,y,z), tel que X = x, Y = y - f'sin et Z = z + f - f'cos, sous la forme d'une équation de paraboloïde excentré (offset) : zp(x,y) = 12f'(1 + cos) (x2 + y2) - sin1 + cos y. f est la focale géométrique entre le sommet O du paraboloïde initial, confondu avec l'origine du repère initial (O,X,Y,Z), et le foyer géométrique F du paraboloïde et du réflecteur 1. f' est la focale équivalente du réflecteur entre le centre C de l'ouverture du réflecteur et le foyer géométrique F du réflecteur.  désigne l'angle d'offset du réflecteur entre l'axe optique Cz du réflecteur parallèle à l'axe OZ du paraboloïde et le segment CF de la focale équivalente. Les focales f et f' sont liées par la relation suivante : f = f'2 (1+cos).
Selon une réalisation préférée, on a :
   750 mm ≤ f' ≤ 1,1 m, typiquement f' = 940 mm, et
   20° ≤  ≤ 30°, typiquement  = 25,2°.
La géométrie de la surface de correction zc(x,y) est illustrée à la figure 3 par rapport au paraboloïde et est décrite par une équation mathématique basée sur une interpolation d'arcs de courbes paramétriques polynomiales dits "splines", utilisée habituellement en mécanique pour représenter la flexion de plaques minces.
La surface réfléchissante 11 étant symétrique par rapport au plan d'élévation (site) yCz, elle est définie par interpolation de points de contrôle disposés sur une grille régulière de mailles rectangulaires dans l'un des demi-plans xCy de l'ouverture du réflecteur limité par le plan de symétrie focal yCz. Le nombre des points de contrôle est N x N par quadrant dans le repère xCy, N étant un entier supérieur ou égal à 2. A titre d'exemples, des grilles avec N = 3 et N = 4 sont illustrées aux figures 4 et 5. Le nombre total I de points de contrôle est de N(2N-1).
L'équation de la surface de correction comporte I+4 coefficients a1 à aI et b1 à b4 et un paramètre sans dimension γ représentant la largeur normalisée du domaine d'interpolation par rapport à la focale équivalente f'. L'équation de la surface de correction a la forme suivante :
Figure 00130001
avec ri(x,y) = [(y-γ.f'.yi)2+ (x-γ.f'.xi)2 +(x+γ.f'.xi)2]1/2
La variable ri(x,y) est fonction de la distance (y-γ.f'.yi)2 + (x-γ.f'.xi)2 entre la projection d'un point quelconque de la surface réfléchissante 11 de coordonnées (x,y) sur le plan xCy et de l'un (γ.f'.xi, γ.f'.yi) des N(2N-1) points de contrôle de la grille, au produit γf' près.
Les I+4 coefficients de la surface de correction zc(x,y) sont calculés par résolution d'un système linéaire de I+4 équations à partir des cotes zi des points de contrôle. Les cotes zi sont des inconnues qui s'obtiennent en suivant les deux étapes distinctes ci-après.
A une première étape, des valeurs approchées de zi sont calculées en utilisant une formulation analytique fondée sur une décomposition en série de Taylor des aberrations, telles que stigmatisme et aplanétisme. La série du Taylor est à l'ordre 6 pour atteindre une précision suffisante sur la détermination de la cote z. L'équation obtenue pour la surface de correction est paramétrable en fonction de la position d'une source primaire extrême 2E de coordonnées (xE,yE,zE), qui est la plus décalée le long du support circulaire 3 par rapport au plan de symétrie yCz, et en fonction de l'angle d'ouverture maximal αmax de l'antenne égal à l'angle de défocalisation de la source extrême, comme montré à la figure 1. Cette équation se présente sous la forme suivante :
Figure 00140001
Les coefficients an,m,p s'expriment sous forme polynomiale en fonction de (xE,yE,zE) et αmax et les valeurs de zi associées au couple (xi,yi) s'obtiennent en cherchant la seule racine réelle et physique de l'équation P(xi,yi,zi) = 0.
L'équation ci-dessus ne donne qu'une solution approchée non optimale.
A une deuxième étape, à partir des points (xi,yi,zi) ainsi calculés, la surface initiale est générée sous la forme de l'équation polynomiale du deuxième degré précitée zc(x,y). Un processus d'optimisation hybride fondé sur un algorithme génétique couplé à une méthode à gradient ajuste et optimise les valeurs des cotes zi en satisfaisant simultanément les conditions suivantes ;
  • stabilisation de la directivité sur tout le champ de vision du réflecteur,
  • respect de caractéristiques de faisceaux radioélectriques normalisés, telles que diagrammes,
  • pointage exact de tous les faisceaux sur l'orbite géostationnaire et particulièrement de trois faisceaux correspondant aux deux sources extrêmes défocalisés à ± αmax et à une source centrale 2F centrée sur le foyer F avec α = 0 ;
  • stabilisation des performances sur la bande de fréquence d'utilisation, particulièrement du gain relativement aux sources extrêmes et à la source centrale.
Après plusieurs dizaines d'itérations successives, les coefficients de l'équation de la surface de correction zc sont déduites.
La plage angulaire de couverture de l'antenne dépend du paramètre γ qui définit une famille de surfaces réfléchissantes. L'invention concerne ainsi un ensemble de surfaces réfléchissantes ayant des formes voisines et des performances radioélectriques sensiblement identiques. Lorsque γ augmente, le champ de vision du réflecteur diminue et évolue progressivement vers les performances du réflecteur parabolique au delà de γ = 0,65 environ. Lorsque γ diminue, le champ de vision augmente ; en dessous du seuil de l'ordre de 0,5, le rendement moyen du réflecteur diminue excessivement entraínant des écarts de directivité importants entre le faisceau central et le faisceau extrême le plus décalé. Une valeur de γ proche de 0,54 ou 0,55 est recommandée pour assurer une couverture 2 αmax d'une cinquantaine de degrés.
A titre d'exemple, les coefficients spécifiques dans l'équation définissant la surface de correction zc(x,y) entrant dans l'équation de la surface réfléchissante 11 du réflecteur 1 sont indiqués dans le tableau suivant pour N = 4 et I = 28.
Figure 00160001
Figure 00170001
La découpe de la surface réfléchissante 11 du réflecteur dont la projection suivant l'axe Cz sur le plan xCy est montrée à la figure 6, n'est pas nécessairement circulaire ou elliptique. Elle est généralisée à une forme « superquadrique » dont l'équation cartésienne est la suivante :
Figure 00170002
A désigne le demi-axe du réflecteur suivant l'axe azimutal x, B désigne le demi-axe du réflecteur suivant l'axe d'élévation y de la direction d'offset du réflecteur, et ν est un nombre réel positif défini ci-après. Relativement aux figures 4 et 5, la dimension maximale 2A de l'ouverture du réflecteur est inférieure au côté du carré qui vaut 2γf' égal typiquement à 103,5 cm environ.
Les paramètres servant à définir cette courbe sont optimisés de façon à minimiser l'encombrement du réflecteur et à maintenir le rapport (focale équivalente f'/dimension maximale 2A) à une valeur inférieure à un. Leurs valeurs respectives sont indiquées ci-dessous à titre d'exemple :
   A/λ ≤ 20,
   1,3 ≤ A/B ≤ 1,4,
   1,0 ≤ ν ≤ 3,
λ étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande de fréquence d'utilisation.
Les paramètres A et ν sont choisis afin que le réflecteur 1 soit en conformité avec des réglementations nationales concernant l'installation d'antennes individuelles de réception satellite, c'est-à-dire présente une dimension maximale 2A inférieure à 98 cm en bande Ku pour la France. Ces paramètres interviennent également pour ajuster la superficie et donc le gain du réflecteur en fonction de l'application visée.
Cependant, la forme du contour de la surface réfléchissante peut être sensiblement modifiée pour améliorer l'esthétique du réflecteur sans altérer les performances de celui-ci.
Chacune des sources primaires 2 comprend, selon une première réalisation, un cornet comportant un tronçon cylindrique arrière 21, un tronçon tronconique intermédiaire 22, un tronçon tronconique avant 23 et une gorge circulaire faciale 24, comme montré aux figures 7 et 9.
Des cotations géométriques exactes du cornet 2 selon un exemple de réalisation préféré sont précisées dans la vue en coupe montrée à la figure 9. Toutes les dimensions sont normalisées par rapport à la longueur d'onde λ correspondant à la fréquence centrale de la bande de fréquence d'utilisation.
Si L1, typiquement égal à 1,67 λ, désigne la longueur minimale du tronçon tronconique intermédiaire 21, les longueurs L2 et L3 des deux autres tronçons 22 et 23 sont sensiblement supérieure à L1/2 et sensiblement supérieure à L1, c'est-à-dire L3 est sensiblement égale à 2.L2. Pour un diamètre moyen D1, typiquement égal à 0,7 λ, du tronçon arrière 21 qui est séparé de la petite base du tronçon intermédiaire 22 par trois épaulements, les diamètres D2 et D3 des grandes bases des tronçons tronconiques 22 et 23 sont respectivement sensiblement inférieur à 2.D1 et sensiblement supérieur à 2.D1.
La gorge 24 est située sur la périphérie de la grande base du tronçon tronconique avant 23 et dans le prolongement de celle-ci. Elle contribue à aplatir le plan d'onde en sortie du cornet et à augmenter ainsi la directivité de celui-ci pour une largeur de bande de 4 GHz environ dans laquelle le cornet a un gain de l'ordre de 15 dBi en moyenne. La gorge a un côté externe 241 de longueur L4 comprise entre L2 et 1,5(L2), un côté interne 242 de longueur L5 sensiblement inférieure à L2/2, un diamètre externe D4=2,05 λ sensiblement égal à 3(D1), soit une largeur de gorge sensiblement égale à D4/8, et un diamètre interne sensiblement égal à D3, soit 1,62 λ.
A performances radioélectriques égales vis-à-vis d'un cornet conventionnel, le profil intérieur du cornet 2 de l'invention lui confère une plus grande compacité et permet d'atteindre une séparation angulaire de 3° entre faisceaux consécutifs tout en maintenant le rapport f'/2A du réflecteur faible, inférieur à un. Ce profil permet également de minimiser le coût de fabrication du cornet par moulage.
Selon une deuxième réalisation, une source primaire est une source diélectrique 4 dite source en "cierge" ou "cigare" dont les cotes géométriques précises sont indiquées à la figure 10 selon un exemple préféré. La source en cierge 4 a également un gain de l'ordre de 15 dBi en moyenne dans la bande utile de 4 GHz et offre un déplacement de centre de phase P4 de l'ordre du centimètre pour une largeur de bande de fréquence de 4 GHz environ pour compenser l'aberration chromatique du réflecteur.
La source en cierge 4 comprend un "cierge" diélectrique comportant des tronçons cylindriques dont les diamètres diminuent depuis une extrémité arrière vers une extrémité avant en regard du réflecteur. Les tronçons sont un tronçon cylindrique arrière 41 contenu partiellement dans un guide métallique monomode 40, saillant sur une longueur minimale ℓ1 ≅ 1,28 λ et ayant un diamètre d1 de 0,7 λ à 0,8 λ environ, deux tronçons cylindriques intermédiaires 42 et 43 de longueur L23 égal à environ 0,6 λ et de diamètres respectifs d2 ≅ (3/4)d1 ≅ 0,64 λ et d3 ≅ (7/8)d2 ≅ 0,56 λ et trois tronçons avant 44, 45 et 46 plus minces de longueur L456 égale à environ (2/3)L23 ≅ 0,4 λ et de diamètres respectifs d4 ≅ (3/4)d2 ≅ 0,48 λ, d5 ≅ (2/3)d2 ≅ 0,40 λ et d6 ≅ (1/2)d2 ≅ 0,32 λ. Le diélectrique a une permittivité relative faible voisine de 2 ; par exemple, il est constitué d'une mousse rigide à faible densité avec une texture fine à cellules fermées, présentant une permittivité de préférence comprise entre 1,7 et 1,9.
La source 4 comprend également une gorge métallique faciale 47 dans le guide métallique 40, s'étendant autour de la partie arrière du tronçon arrière de cierge diélectrique 47, et ayant un diamètre externe d7 ≅ 3/2 d1 ≅ 1,2 λ. Un côté externe 471 de la gorge 47 a une longueur L7 ≅ ℓ1/2 ≅ 0,56 λ plus longue que la longueur L8 ≅ ℓ1/4 ≅ 0,32 λ d'un côté interne 472 de la gorge. La gorge a ainsi une largeur comprise entre (1/8)d1 environ et (1/6)d1 environ.
En variantes, le guide d'onde 40 est entièrement chargé de diélectrique, ou est muni d'un cône d'adaptation d'impédance 48 de longueur comprise entre 1,5 λ et 2,5 λ afin de réaliser la transition du cierge diélectrique vers le guide d'onde vide.
Comparativement à la source primaire 2 de type cornet, à focale f ou f' égale, la source en cierge 4 est moins encombrante d'au moins 25 % en diamètre et permet d'assurer ainsi une séparation angulaire des faisceaux de 2° environ. A séparation angulaire de faisceaux égale, la focale f ou f' du réflecteur est réduite d'environ 20 % lorsque la source primaire est une source en cierge dont le diélectrique chargeant le guide d'onde 40 est à faible permittivité et faible perte.
Le support 3 est un tube de forme torique dont l'axe SS en arc de cercle a un centre CS distinct du centre C de la surface réfléchissante 11, comme montré à la figure 11. L'axe circulaire SS passe sensiblement au-dessous du foyer F du réflecteur où le centre de phase P2 (ou P4, figure 10) d'une source primaire centrale 2F située dans le plan de symétrie vertical yCz du réflecteur est positionné exactement, et est contenu dans un plan PS dont l'inclinaison β par rapport au plan horizontal XOZ est fixée par la latitude L de l'antenne, comme montré aux figures 1 et 11.
L'inclinaison β diffère de l'angle d'offset  du réflecteur et s'exprime en fonction de celui-ci et de la latitude L de l'antenne sous la forme d'une loi logarithmique qui s'écrit de la façon suivante : β = 18,3.Log10( - 18,9) +  + L6 - 9,
L et  étant des angles s'exprimant en degrés.
Le rayon R de l'axe du support circulaire 3 est déduit de la formule suivante : R = f'.coscos(β - (L/6-9)) .
De préférence, le rayon R du support est compris entre 1 m environ et 1,2 m environ, et l'inclinaison β est comprise entre 35° environ et 40° environ pour un angle d'offset  de 25°. Par exemple, pour une latitude L = 45°, l'inclinaison β est égale à 38,3° et le rayon R est égal à 1,1 m.
L'inclinaison β du plan de support PS distinct du plan focal xCF est choisie en fonction de la latitude L de l'antenne afin que les sources 2, 4 montées sur le support puissent être pointées de manière optimale le long d'une ligne focale (figure 13) correspondant aux orbites géostationnaires des satellites visés. Cette inclinaison β est réglée à ± 5° près par rotation du support 3 autour des premières extrémités 31 des bras 30, comme montré à la figure 12.
Le support 3 est par exemple issu d'un tube métallique léger de section égale à 20 mm dont la courbure circulaire est réalisée par cintrage. Il est immobilisé par rapport au réflecteur 1 proprement dit au moyen de deux bras latéraux coudés 30 ayant des premières extrémités 31 articulées aux extrémités du support (figure 12) à et des deuxièmes extrémités emboítées 32 dans des consoles fixées contre la face arrière convexe du réflecteur (figure 1).
Le support 3 est percé de trous diamétraux 33 espacés régulièrement pour fixer sélectivement des colliers de fixation coudés 34 des sources primaires 2 ou 4, comme montré à la figure 7. Chaque collier de fixation enserre le guide d'onde arrière 21, 40 d'une source primaire 2, 4 et comporte une rainure 35 à fond semi-cylindrique pour recevoir le support 3. Dans les côtés de la rainure 35 sont ménagées deux glissières longitudinales 36 diamétralement opposées qui sont traversées par une tige filetée de serrage 37 passant par un trou 33 du support de source afin de coulisser le collier 34 avec la source primaire 2, 4 sur le support 3 et de positionner la source primaire pour assurer une visée continue de l'orbite géostationnaire.
Les colliers de fixation 34 sont orientés avec un angle β- par rapport au plan de symétrie PS du support de façon à pointer les sources vers le centre C du réflecteur, comme montré aux figures 2 et 12. L'angle β- reste identique quel que soit le déplacement latéral de la source le long du support et est compris entre 10° environ et 20° environ. Sous une latitude L de 45° de l'antenne, l'angle β- est de 13,1°.
Lorsque l'antenne est installée sous une autre latitude que 30 à 60°, le plan PS du support 3 présente une inclinaison β comprise entre 35° pour des régions proches de l'équateur et 55° pour des régions proches du pôle Nord. L'angle β- évolue en sens inverse afin que la différence angulaire β-(β-) =  égale à l'angle d'offset soit comprise entre 20° et 30°.
La géométrie du support 3 des sources 2, 4 est extrêmement simplifiée pour diminuer son coût de fabrication et faciliter l'installation des sources par un pointage rapide et aisé vers les satellites désirés. Cette propriété intrinsèque n'est obtenue que grâce au jeu des coefficients ai et bi associé au choix très particulier des paramètres β-, β et R, qui servent à définir la géométrie du support. Toutefois, d'autres types de support comme décrits dans les brevets FR-2 685 131 et EP-0 700 118 peuvent être utilisés.
Les avantages de l'antenne de l'invention pointée vers les satellites géostationnaires sont illustrés à la figure 13 par neuf diagrammes de rayonnement DR1 à DR9 représentés par des lignes de niveau et correspondant à neuf faisceaux radioélectriques de satellites positionnés le long de l'orbite géostationnaire susceptibles d'être reçus par neuf sources primaires 2, 4 juxtaposées sur le support 3 de l'antenne à une latitude moyenne de 45°.
Les faisceaux sont distants de SA=3° environ et le maximum de chaque faisceau coïncide parfaitement avec l'orbite géostationnaire OG sur une plage angulaire supérieure à 55° ([-27,5°, 27,5°]). Lorsque l'antenne est installée dans une région lointaine de l'équateur EQ, les faisceaux ne sont plus alignés. L'écart par rapport à l'équateu EQ n'étant pas négligeable, il est essentiel de prendre en compte ces corrections tout en préservant un seul degré de liberté dans le positionnement des sources primaires. L'antenne est conçue selon la réalisation préférée pour fonctionner sous des latitudes voisines de 45°, c'est-à-dire pour des latitudes comprises entre 30° environ et 60° environ sans qu'il ne soit nécessaire de rajouter des réglages en élévation, c'est-à-dire des réglages de l'angle β- ou de l'angle β, sur le positionnement des sources primaires.
L'antenne se distingue par les points suivants:
  • la conformation spécifique du réflecteur et du support donne la possibilité de suivre rigoureusement des faisceaux non alignés sur l'orbite géostationnaire par une simple translation guidée de sources primaires le long du support sans ajouter de réglages en élévation (un seul degré de liberté) ;
  • simplification de la ligne focale de l'antenne qui est désormais parfaitement plane et circulaire ;
  • séparation angulaire entre faisceaux consécutifs de 3° environ avec des sources en cornet 2 ou de 2° environ avec des sources en cierge 4, obtenue avec un réflecteur à encombrement réduit, c'est-à-dire un rapport focale/diamètre inférieur à un, grâce notamment à la compacité et la directivité de sources primaires spécifiques ;
  • les caractéristiques de rayonnement de chaque faisceau respectent des spécifications normalisées en copolaire et contrapolaire ;
  • le rendement moyen de l'antenne reste élevé, de l'ordre de 45%, sur une plage angulaire de balayage supérieure à 50° ;
  • une bande passante très large de l'ordre de 35% (10,5 GHz à 14,5 GHz) ;
  • des dimensions géométriques d'antenne contenues dans un cube de 1 m3 ;
  • compatibilité de l'antenne avec un positionneur utilisant une monture polaire.
L'antenne de l'invention est reproductible pour d'autres usages que la réception multi-satellites en bande Ku. Le paramétrage de toutes les dimensions de l'antenne en fonction de la fréquence étend le domaine de l'invention à des applications multimédia.
L'antenne selon l'invention peut être utilisée :
  • pour la réception de plusieurs faisceaux de satellites de l'orbite géostationnaire ;
  • pour la réception et/ou l'émission vers l'orbite géostationnaire ;
  • avec un déplacement commandé électriquement d'une source primaire unique devant le réflecteur, comme décrit par exemple pour le déplacement d'une tête hyperfréquence dans les brevets FR-2 685 131 et EP-0 700 118.

Claims (15)

  1. Antenne comprenant un réflecteur (1) pour faisceaux de satellite de télécommunications, ayant une surface réfléchissante concave continue (11) dont l'équation est déduite de celle d'un paraboloïde excentré de foyer (F) et d'angle d'offset () en y additionnant l'équation d'une surface de correction et qui est symétrique par rapport à un plan de symétrie focal (yCz) du paraboloïde, caractérisés en ce que l'équation de la surface de correction est le polynôme suivant du deuxième degré en deux coordonnées x, y relatives à des axes (Cx, Cy) perpendiculaires à l'axe de symétrie (OZ) du paraboloïde :
    Figure 00270001
       où N est un entier au moins égal à 2, ri(x,y) = [(y-γ.f'.yi)2 + (x-γ.f'.xi)2 + (x+γ.f'.xi)2]1/2 désigne une distance entre la projection d'un point quelconque de la surface réfléchissante (11) de coordonnées x et y sur un plan (xCy) perpendiculaire au plan de symétrie (yCz) et un point de contrôle de coordonnées xi et yi d'une grille s'étendant sur ledit plan perpendiculaire (xCy) et limitée par le plan de symétrie (yCz), ai et b1 à b4 sont des coefficients prédéterminés, γ est un paramètre sans dimension et f' est la distance focale entre le foyer (F) du paraboloïde et le centre (C) de la surface réfléchissante (11).
  2. Antenne conforme à la revendication 1, dans laquelle la distance focale entre le foyer du paraboloïde (F) et le centre (C) de la surface réfléchissante (11) est comprise entre 30 fois et 45 fois une longueur d'onde moyenne des faisceaux de satellite, et l'angle d'offset () entre l'axe de paraboloïde (OZ) et le segment joignant le foyer (F) au centre (C) de la surface réfléchissante (11) est compris entre environ 20° et environ 30°.
  3. Antenne conforme à la revendication 1 ou 2, dans laquelle le paramètre sans dimension est de l'ordre de 0,55.
  4. Antenne conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un support (3) en forme d'arc de cercle (SS) supportant des sources primaires (2, 4) orientées vers le centre (C) de la surface réfléchissante, ledit support étant contenu dans un plan de support (PS) et positionné afin que le centre de phase (P2, P4) d'une source située dans le plan de symétrie focal (yCz) coïncide sensiblement avec le foyer (F) du paraboloïde, ledit plan de support (PS) ayant une inclinaison (β) par rapport à l'axe de paraboloïde (OZ) supérieure à l'angle d'offset () entre l'axe de paraboloïde et le segment joignant le foyer (F) au centre (C) de la surface réfléchissante (11).
  5. Antenne conforme à la revendication 4, dans laquelle l'inclinaison (β) du plan de support (PS) dépend d'une fonction logarithmique de l'angle d'offset () et d'une fonction linéaire de la latitude (L) de l'antenne.
  6. Antenne conforme à la revendication 4 ou 5, dans laquelle la différence (β-) entre l'inclinaison du plan de support (PS) et l'angle d'offset est comprise entre 10° environ et 20° environ.
  7. Antenne conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle le support (3) a un rayon (R) qui est proportionnel à la distance focale (f') entre le foyer du paraboloïde (F) et le centre (C) de la surface réfléchissante (11) et qui dépend d'une fonction trigonométrique de l'inclinaison (β) du plan de support (PS) et de l'angle d'offset (),
  8. Antenne conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans laquelle le support (3) est monté à rotation autour d'un axe fixe par rapport au réflecteur et passant par des extrémités (31) du support.
  9. Antenne conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant au moins deux sources primaires (2, 4) ayant une séparation angulaire de rayonnement (SA) au plus égale à 3° environ.
  10. Antenne conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant au moins une source primaire en cornet (2) ayant un tronçon cylindrique arrière (21), un tronçon tronconique intermédiaire (22) de diamètre de grande base (D2) sensiblement inférieur au double du diamètre moyen (D1) du tronçon arrière, et un tronçon tronconique avant (23) de longueur (L3) sensiblement supérieure au double de la longueur (L2) du tronçon intermédiaire et un diamètre de grande base (D3) sensiblement égal au double du diamètre moyen (D1) du tronçon arrière.
  11. Antenne conforme à la revendication 10, dans laquelle la source primaire en cornet (2) comprend une gorge faciale (24) située à la périphérie de la grande base du tronçon tronconique avant (23), ayant une largeur sensiblement égale au huitième du diamètre de grande base (D3) du tronçon avant, et limitée par un côté externe (241) plus long que le côté interne (242) de la gorge.
  12. Antenne conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant au moins une source primaire en cierge diélectrique (4).
  13. Antenne conforme à la revendication 12, dans laquelle la source en cierge diélectrique comprend un cierge diélectrique comportant des premier, deuxième et troisième tronçons cylindriques (41 ; 42-43 ; 44-45-46) de longueurs (ℓ1 ; 2.L23 ; 3.L456) sensiblement identiques et ayant des diamètres diminuant d'un tronçon au suivant depuis une extrémité arrière vers une extrémité avant de la source dans des rapports compris entre 3/4 environ et 9/16 environ et compris entre 1/2 environ et 2/3 environ.
  14. Antenne conforme à la revendication 12, dans laquelle la source en cierge diélectrique comprend un cierge diélectrique comportant un premier tronçon cylindrique (41), des deuxième et troisième tronçons (42, 43) ayant des longueurs (L23) sensiblement égales à la moitié d'une longueur minimale (ℓ1) du premier tronçon et des diamètres inférieurs au diamètre du premier tronçon et dans un rapport de sensiblement 2/3 à 7/8 entre eux, et des quatrième, cinquième et sixième tronçons (44, 45, 46) ayant des longueurs (L456) sensiblement égales au tiers de la longueur minimale du premier tronçon et des diamètres inférieurs au diamètre du troisième tronçon et dans des rapports de sensiblement 3/4 à 7/8 d'un tronçon au suivant.
  15. Antenne conforme à la revendication 13 ou 14, dans laquelle la source primaire en cierge (2) comprend une gorge métallique (47) s'étendant partiellement autour du premier tronçon (41) du cierge diélectrique, ayant une largeur comprise entre le huitième environ et le sixième environ du diamètre (d1) du premier tronçon (41), et limitée par un côté externe (471) plus long qu'un côté interne (472) de la gorge.
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