EP3618189A1 - Antenne pour un satellite spatial - Google Patents

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EP3618189A1
EP3618189A1 EP19191636.0A EP19191636A EP3618189A1 EP 3618189 A1 EP3618189 A1 EP 3618189A1 EP 19191636 A EP19191636 A EP 19191636A EP 3618189 A1 EP3618189 A1 EP 3618189A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lens
waveguide
antenna
diameter
antenna according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19191636.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Arnaud Girardot
Davy GUIHARD
Jeremy DUGENET
Thierry Monediere
Eric Arnaud
Marc Thevenot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
ArianeGroup SAS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
ArianeGroup SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Limoges, ArianeGroup SAS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3618189A1 publication Critical patent/EP3618189A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/06—Waveguide mouths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/20—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/24—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave constituted by a dielectric or ferromagnetic rod or pipe
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H01Q19/08—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for modifying the radiation pattern of a radiating horn in which it is located

Definitions

  • the present invention relates to the general field of antennas for space satellites.
  • the invention relates more particularly to an antenna comprising a waveguide having at one end intended to transmit or receive an electromagnetic wave and a surface wave trap structure fixed on the end of the waveguide.
  • a satellite 1 ( figure 1 ) in orbit around the Earth must be provided with an antenna 2 which ensures the most stable communication possible and with a substantially constant gain, regardless of the location of a transmitter / receiver on the globe 3.
  • An antenna comprising a waveguide with a radiating end provided with a surface wave trap structure comprising corrugations (concentric rings) makes it possible to obtain an isoflux radiation diagram such as that obtained illustrated on the figure 3 .
  • the antenna further comprises a dielectric lens fixed on the end of the waveguide, the lens having a shape of revolution around an axis of the waveguide, the diameter of the lens being increasing. away from the end of the waveguide, the lens having an effective relative dielectric permittivity greater than 1 and less than or equal to 5.
  • the term “effective” relative dielectric permittivity of the lens is understood to mean the relative dielectric permittivity of the volume occupied by the lens, including air or vacuum in its possible porosity, and not the relative dielectric permittivity of the material constituting the lens.
  • a person skilled in the art knows how to determine the effective relative dielectric permittivity of a sample by radioelectric characterization, for example using a transmission line or a resonant cavity. The value of the dielectric permittivity can be measured in an operational frequency band of the antenna and at ambient temperature.
  • the lens makes it possible to obtain a reduction in the gain of the axial radiation by sending the electromagnetic energy towards the horizon. It thus facilitates isoflux radiation while keeping a good symmetry of revolution of electromagnetic radiation.
  • the effective relative dielectric permittivity of the lens can be between 2 and 4. This value of permittivity for the lens is advantageous, in particular when the antenna transmits or receives in an operational frequency band between 8.025 and 8.400 GHz.
  • the effective relative dielectric permittivity of the lens can be between 2 and 3.
  • the lens may have a frustoconical shape.
  • a ratio between the largest diameter of the lens and the diameter of the lens taken at the end of the waveguide can be between 1.9 and 3.0.
  • a ratio between the length of the lens and the largest diameter of the lens can be between 0.3 and 0.8.
  • the lens comprises a distal portion outside the waveguide, the diameter of the distal portion increasing as it moves away from the end of the waveguide, and a proximal portion inside the waveguide waves, the diameter of the proximal portion being decreasing away from the end of the waveguide.
  • the distal portion may have a flared shape.
  • the lens can be made of polytetrafluoroethylene (PTFE or Teflon®).
  • PTFE generally has a relative dielectric permittivity of the order of 2.1.
  • the lens can be made of polyetheretherketone (PEEK).
  • PEEK generally has a relative dielectric permittivity of the order of 3.1.
  • Porosities and / or holes in the lens can reduce the effective relative dielectric permittivity of the lens.
  • the effective relative dielectric permittivity of a volume comprising a material and air or vacuum is, as a first approximation, equal to the average of the relative dielectric permittivities of air or vacuum (i.e. substantially 1) and of the material, weighted respectively by the volume occupied by the air or the vacuum relative to the total volume (defined for example by a porosity rate) and the volume occupied by the material related to the total volume.
  • the lens may include through holes. Such holes are advantageous in that they bring the interior volume of the waveguide into contact with the medium. outside the antenna, thus avoiding pressure variations which could cause damage to the antenna, and in that they make it possible to avoid the appearance of partial discharges linked to the Corona effect.
  • the lens can be fixed to the waveguide by fixing elements housed in fixing holes provided in the dielectric lens.
  • the fastening elements can be made of the same material as that of the lens.
  • the fastening elements can have an effective relative dielectric permittivity of between 90% and 110% of the effective relative dielectric permittivity of the lens.
  • the invention also relates to a space satellite comprising an antenna such as that presented above.
  • the invention also relates to a transmission device comprising a source of electromagnetic waves, an antenna such as that presented above in communication with the source, and an adapter between the source and the waveguide of the antenna.
  • the invention finally relates to a reception device comprising a receiver of electromagnetic waves, an antenna such as that presented above in communication with the receiver, and an adapter between the receiver and the waveguide of the antenna.
  • the figure 4 shows an antenna 10 for space satellite according to an embodiment of the invention.
  • the antenna 10 extends along an axis X and generally has a shape of revolution around this axis.
  • the antenna 10 here comprises a circular waveguide 20 having a first end 21 intended to emit or receive an electromagnetic wave, and a surface wave trap structure 30 integral with the end 21 of the waveguide.
  • the circular waveguide 20 includes a second end opposite the first end 21 which is connected to an adapter 40.
  • the adapter 40 provides the transition between a rectangular septum type polarizer 50 and the circular waveguide 20.
  • the polarizer 50 known per se, has two inputs / outputs 51 and 52, and allows for example the transmission and / or reception of two orthogonal waves circularly polarized with the same antenna 10.
  • the surface wave trap structure 30 comprises a disc 31 forming a continuous surface which extends transversely, here perpendicularly, relative to the circular waveguide 20.
  • the disc 31 is integral with the waveguide 20 near the end 21 of the latter.
  • the structure 30 further comprises concentric rings 32 (or corrugations) projecting from the disc 31 in the direction of the space from or to which the antenna 10 must receive or emit an electromagnetic wave.
  • the structure 30 comprises eight concentric rings 32.
  • the antenna 10 further comprises a dielectric lens 60 fixed to the end 21 of the circular waveguide 20.
  • the lens 20 is also centered on the axis X and has a shape of revolution around this axis.
  • the lens 20 has a frustoconical shape, its diameter increasing while moving away from the end 21 of the waveguide 20.
  • the dielectric lens 60 has an effective relative dielectric permittivity greater than 1 and less than or equal to 5.
  • the effective relative dielectric permittivity of the lens 60 may be between 2 and 4, for example between 2 and 3.
  • the lens can be manufactured from a material which has an adequate relative dielectric permittivity. Alternatively, one can use a material which has a higher dielectric permittivity than that intended and which has porosities and / or holes (through or not).
  • Expression (A) can then be reduced to expression (B) by making the approximation ⁇ air / vacuum ⁇ 1. ⁇ eff ⁇ 1 - ⁇ . ⁇ mast
  • Teflon® can be used as the material constituting the lens, which has a relative dielectric permittivity of the order of 2.1.
  • PEEK can be used, which has a relative dielectric permittivity of the order of 3.1. PEEK is preferred because it has good mechanical strength and is more resistant under the conditions to which the antenna will be subjected.
  • the figures 7 to 9 show detailed views of the lens 60.
  • the lens 60 has a generally frustoconical shape around the axis X. It here comprises a proximal portion 61 which is housed in the circular waveguide 20 and a distal portion 62 located at the exterior of the circular waveguide 20.
  • the proximal portion 61 can block the end 21 of the circular waveguide 20 (with the exception of any holes), while the distal portion 62 has a flared shape.
  • the distal portion 62 here has a shape of a horn.
  • the proximal portion 61 of the lens 60 has a frustoconical shape whose smallest diameter d1 is located inside the circular waveguide 20 and whose largest diameter d2 is equal to the diameter of the end 21 of the guide d circular wave 20.
  • the distal portion 62 extends from the end 21 of the circular waveguide and has at the end 21 the diameter d2.
  • the distal portion 62 has an increasing diameter away from the end 21 to a maximum diameter d3, greater than the diameter d2.
  • the ratio between the diameter d3 and the diameter d2 is preferably between 1.9 and 3.0.
  • the ratio between the diameter d2 and the diameter d1 is preferably between 1 and 4.
  • the distal portion 62 further comprises a rim 63 or shoulder allowing the lens 60 to be in abutment on the end 21 of the guide circular wave 20 when fixed on the latter. Due to its flared shape, the distal portion 62 has a wall 62a of thickness e.
  • the wall 62a is thus located around a volume of vacuum or air.
  • the thickness e is between ⁇ / 12 and ⁇ / 3 (where ⁇ is the average wavelength used by the antenna to transmit and / or receive).
  • the proximal portion 61 extends in the circular waveguide 20 over a first length L1 (measured along the axis X), and the distal portion extends over a second length L2 from the end 21.
  • the lens 60 has a total length L equal to the sum of the lengths L1 and L2.
  • the slope of the wall 61a of the proximal portion 61 corresponding to the ratio between its length and the half-difference in absolute value of its extreme diameters, is greater than the slope of the wall of the distal portion 62 In other words: L1 / (d2-d1) ⁇ L2 / (d3-d2).
  • the ratio L1 / (d2-d1) is between ⁇ / 25 and ⁇ / 6, and the ratio L2 / (d3-d2) is less than ⁇ / 40.
  • the ratio between the length L1 and the length L2 is preferably between 1 and 3.
  • the ratio between the diameter d3 and the length L2 is preferably between 1 and 3.
  • the lens 60 is here fixed on the end 21 of the circular waveguide 20 by means of fixing elements 63, for example screws.
  • the fixing elements 63 may be made of the same material as that of the lens 60.
  • the fixing elements 64 are housed in fixing fixing holes 62b made in the wall 62a of the distal portion 62.
  • the proximal portion 61 also has, in the example illustrated, through holes 65 extending parallel to the axis X.
  • the proximal portion 61 has seven through holes distributed over and around the axis X. These holes 65 allow in particular to avoid the appearance of partial discharges due to the Corona effect, and may also have the function of reducing the effective relative dielectric permittivity of the lens 60.
  • the antenna 10 presented above can be used on a space satellite in orbit to establish communications with a transmitter / receiver located on Earth.
  • the antenna 10 can be used for example on an operational frequency band between 7.985 GHz and 8.440 GHz.
  • the dimensions of the antenna 10 may in particular be adapted to the operational frequency range which will be used.

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

L'invention concerne une antenne (10) pour un satellite spatial comprenant au moins : un guide d'ondes (20) ayant d'une extrémité (21) destinée à émettre ou à recevoir une onde électromagnétique, une structure piège à ondes de surface (30) solidaire de l'extrémité du guide d'ondes, ladite structure comprenant une surface (31) s'étendant transversalement par rapport au guide d'ondes à partir de laquelle font saillie des anneaux concentriques (32) autour du guide d'ondes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une lentille diélectrique (60) fixée sur l'extrémité (21) du guide d'ondes, la lentille présentant une forme de révolution autour d'un axe (X) du guide d'ondes, le diamètre de la lentille étant croissant en s'éloignant de l'extrémité du guide d'ondes, et en ce que la lentille présente une permittivité diélectrique relative effective supérieure à 1 et inférieure ou égale à 5.

Description

    Arrière-plan de l'invention
  • La présente invention se rapport au domaine général des antennes pour satellites spatiaux. L'invention concerne plus particulièrement une antenne comprenant un guide d'ondes ayant d'une extrémité destinée à émettre ou à recevoir une onde électromagnétique et une structure piège à ondes de surface fixée sur l'extrémité du guide d'ondes.
  • Un satellite 1 (figure 1) en orbite autour de la Terre doit être pourvu d'une antenne 2 qui assure une communication la plus stable possible et avec un gain sensiblement constant, quel que soit l'emplacement d'un émetteur/récepteur sur le globe 3. Pour cela, les antennes des satellites doivent présenter un diagramme de rayonnement isoflux idéal du type de celui illustré sur la figure 2 (gain exprimé en dBi), c'est-à-dire comprenant un minimum local à θ=0° (où θ est l'élévation), des maxima à environ θ=±60°, et un gain au-delà de θ=+60° et en deçà de θ=-60° qui décroit rapidement.
  • Une antenne comprenant un guide d'ondes avec une extrémité rayonnante munie d'une structure piège à ondes de surface comprenant des corrugations (anneaux concentriques) permet d'obtenir un diagramme de rayonnement isoflux tel que celui obtenu illustré sur la figure 3. Le diagramme de rayonnement de ce type d'antenne présente généralement un maximum local du gain à θ=0°, ce qui n'est pas souhaitable pour l'application spatiale envisagée.
  • Il existe donc un besoin pour une antenne pour satellite qui permette d'obtenir un diagramme de rayonnement isoflux qui se rapproche du diagramme idéal présenté ci-avant.
    • Objet et résumé de l'invention
  • La présente invention a donc pour but principal de fournir une antenne qui réponde aux exigences présentées ci-avant. Une antenne pour un satellite spatial selon l'invention comprend au moins :
    • un guide d'ondes ayant d'une extrémité destinée à émettre ou à recevoir une onde électromagnétique,
    • une structure piège à ondes de surface solidaire de l'extrémité du guide d'ondes, ladite structure comprenant une surface s'étendant transversalement par rapport au guide d'ondes à partir de laquelle font saillie des anneaux concentriques autour du guide d'ondes.
  • Selon l'invention, l'antenne comprend en outre une lentille diélectrique fixée sur l'extrémité du guide d'ondes, la lentille présentant une forme de révolution autour d'un axe du guide d'ondes, le diamètre de la lentille étant croissant en s'éloignant de l'extrémité du guide d'ondes, la lentille présentant une permittivité diélectrique relative effective supérieure à 1 et inférieure ou égale à 5.
  • On entend par permittivité diélectrique relative « effective » de la lentille, la permittivité diélectrique relative du volume occupé par la lentille, incluant l'air ou le vide dans sa porosité éventuelle, et non pas la permittivité diélectrique relative du matériau constituant la lentille. L'homme du métier sait déterminer la permittivité diélectrique relative effective d'un échantillon par une caractérisation radioélectrique, par exemple à l'aide d'une ligne de transmission ou d'une cavité résonante. La valeur de la permittivité diélectrique peut être mesurée dans une bande de fréquences opérationnelle de l'antenne et à température ambiante.
  • Les inventeurs ont observé qu'une telle lentille placée sur l'extrémité rayonnante du guide d'ondes permet d'obtenir un diagramme de rayonnement isoflux se rapprochant du diagramme représenté sur la figure 2, c'est-à-dire dont la valeur du maximum local à θ=0° est réduite par rapport aux antennes de l'art antérieur, pour se rapprocher du minimum local souhaité. La lentille permet d'obtenir une diminution du gain du rayonnement axial en envoyant l'énergie électromagnétique vers l'horizon. Elle facilite ainsi le rayonnement isoflux tout en gardant une bonne symétrie de révolution de rayonnement électromagnétique.
  • Dans un exemple de réalisation, la permittivité diélectrique relative effective de la lentille peut être comprise entre 2 et 4. Cette valeur de permittivité pour la lentille est avantageuse, notamment lorsque l'antenne émet ou reçoit dans une bande de fréquences opérationnelle comprise entre 8,025 et 8,400 GHz.
  • Dans un exemple de réalisation, la permittivité diélectrique relative effective de lentille peut être comprise entre 2 et 3.
  • Dans un exemple de réalisation, la lentille peut présenter une forme tronconique.
  • Dans un exemple de réalisation, un rapport entre le plus grand diamètre de la lentille et le diamètre de la lentille pris à l'extrémité du guide d'ondes peut être compris entre 1,9 et 3,0.
  • Dans un exemple de réalisation, un rapport entre la longueur de la lentille et le plus grand diamètre de la lentille peut être compris entre 0,3 et 0,8.
  • La lentille comprend une portion distale à l'extérieur du guide d'ondes, le diamètre de la portion distale étant croissant en s'éloignant de l'extrémité du guide d'ondes, et une portion proximale à l'intérieur du guide d'ondes, le diamètre de la portion proximale étant décroissant en s'éloignant de l'extrémité du guide d'ondes. Cette disposition permet d'améliorer l'adaptation d'impédance entre le guide d'ondes et le milieu extérieur à l'antenne.
  • Dans un exemple de réalisation, la portion distale peut avoir une forme évasée.
  • Dans un exemple de réalisation, la lentille peut être en polytétrafluoroéthylène (PTFE ou Téflon®). Le PTFE présente généralement une permittivité diélectrique relative de l'ordre de 2,1.
  • Dans un exemple de réalisation, la lentille peut être constituée de polyétheréthercétone (PEEK). Le PEEK présente généralement une permittivité diélectrique relative de l'ordre de 3,1.
  • Des porosités et/ou des perçages dans la lentille peuvent permettre de réduire la permittivité diélectrique relative effective de la lentille. En effet, la permittivité diélectrique relative effective d'un volume comprenant un matériau et de l'air ou du vide (par exemple sous la forme de porosités dans le matériau), est, en première approximation, égale à la moyenne des permittivités diélectriques relatives de l'air ou du vide (soit sensiblement 1) et du matériau, pondérées respectivement par le volume occupé par l'air ou le vide rapporté au volume total (défini par exemple par un taux de porosité) et le volume occupé par le matériau rapporté au volume total.
  • Dans un exemple de réalisation, la lentille peut comprendre des perçages traversant. De tels perçages sont avantageux en ce qu'ils mettent en contact le volume intérieur du guide d'ondes et le milieu extérieur à l'antenne, évitant ainsi les variations de pressions qui pourraient occasionner des dommages à l'antenne, et en ce qu'ils permettent d'éviter l'apparition de décharges partielles liées à l'effet Corona.
  • Dans un exemple de réalisation, la lentille peut être fixée sur le guide d'ondes par des éléments de fixation logés dans des trous de fixation prévus dans la lentille diélectrique. Les éléments de fixation peuvent être constitués du même matériau que celui de la lentille. Les éléments de fixation peuvent présenter une permittivité diélectrique relative effective comprise entre 90% et 110% de la permittivité diélectrique relative effective de la lentille.
  • L'invention a également pour objet un satellite spatial comprenant une antenne telle que celle présentée ci-avant.
  • L'invention vise également un dispositif d'émission comprenant une source d'ondes électromagnétiques, une antenne telle que celle présentée ci-avant en communication avec la source, et un adaptateur entre la source et le guide d'ondes de l'antenne.
  • L'invention vise enfin un dispositif de réception comprenant un récepteur d'ondes électromagnétiques, une antenne telle que celle présentée ci-avant en communication avec le récepteur, et un adaptateur entre le récepteur et le guide d'ondes de l'antenne.
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
    • la figure 1 montre schématiquement un satellite spatial en gravitation autour de la Terre et comprenant une antenne,
    • la figure 2 montre un diagramme de rayonnement théorique pour une antenne à digramme isoflux idéale,
    • la figure 3 montre un diagramme de rayonnement obtenu expérimentalement pour une antenne de l'art antérieur,
    • la figure 4 montre une vue en perspective d'une antenne pour satellite spatial selon un exemple de réalisation de l'invention,
    • les figures 5 et 6 montrent deux vues en coupe longitudinale de l'antenne selon les plans V et VI de la figure 4, et
    • les figures 7 à 9 montrent différentes vues de la lentille diélectrique d'une antenne selon un exemple de réalisation de l'invention.
    Description détaillée de l'invention
  • La figure 4 montre une antenne 10 pour satellite spatial selon un mode de réalisation de l'invention. L'antenne 10 s'étend selon un axe X et présente généralement une forme de révolution autour de cet axe.
  • L'antenne 10 comprend ici un guide d'ondes circulaire 20 ayant une première extrémité 21 destinée à émettre ou à recevoir une onde électromagnétique, et une structure piège à ondes de surface 30 solidaire de l'extrémité 21 du guide d'ondes. Le guide d'ondes circulaire 20 comprend une deuxième extrémité opposée à la première extrémité 21 qui est reliée à un adaptateur 40. L'adaptateur 40 assure la transition entre un polariseur 50 rectangulaire de type septum et le guide d'ondes circulaire 20. Le polariseur 50, connu en soi, comprend deux entrées/sorties 51 et 52, et permet par exemple la transmission et/ou la réception de deux ondes orthogonales polarisées circulairement avec la même antenne 10.
  • La structure piège à ondes de surface 30 comprend un disque 31 formant une surface continue qui s'étend transversalement, ici perpendiculairement, par rapport au guide d'ondes circulaire 20. Le disque 31 est solidaire du guide d'ondes 20 à proximité de l'extrémité 21 de ce dernier. La structure 30 comprend en outre des anneaux concentriques 32 (ou corrugations) en saillie sur le disque 31 en direction de l'espace depuis ou vers lequel l'antenne 10 doit recevoir ou émettre une onde électromagnétique. Dans l'exemple illustré, la structure 30 comprend huit anneaux concentriques 32. Le nombre d'anneaux concentriques 32 modifie le diagramme de rayonnement de l'antenne d'une façon connue de l'homme du métier. En particulier, ce nombre modifie la pente avec laquelle décroit le gain en dBi après les maxima autour de θ=±60°.
  • Conformément à l'invention, l'antenne 10 comprend en outre une lentille diélectrique 60 fixée sur l'extrémité 21 du guide d'ondes circulaire 20. La lentille 20 est également centrée sur l'axe X et présente une forme de révolution autour de cet axe. La lentille 20 présente une forme tronconique, son diamètre étant croissant en s'éloignant de l'extrémité 21 du guide d'ondes 20.
  • Toujours selon l'invention, la lentille diélectrique 60 présente une permittivité diélectrique relative effective supérieure à 1 et inférieure ou égale à 5. Avantageusement, la permittivité diélectrique relative effective de la lentille 60 peut être comprise entre 2 et 4, par exemple comprise entre 2 et 3. Cette lentille diélectrique 60 permet d'atténuer le maximum local à θ=0° et d'obtenir un diagramme de rayonnement qui se rapproche du diagramme isoflux idéal tel que celui illustré sur la figure 2. Pour obtenir une telle permittivité diélectrique relative effective, on peut fabriquer la lentille dans un matériau qui présente une permittivité diélectrique relative adéquate. En variante, on peut utiliser un matériau qui présente une permittivité diélectrique relative plus élevée que celle visée et qui présente des porosités et/ou des perçages (traversant ou non). En effet, une présence plus importante de porosités et/ou de perçages permet de réduire la permittivité diélectrique relative effective de la lentille. La permittivité diélectrique relative effective réelle de la lentille peut être mesurée par des méthodes radioélectriques connues mettant en oeuvre par exemple un résonateur ou une ligne de transmission. Une loi de mélange (A) permet toutefois d'avoir une approximation de la valeur de la permittivité diélectrique relative effective de la lentille εeff en fonction de la porosité totale dans la lentille ϕ (correspondant au volume d'air ou de vide rapporté au volume total de la lentille) et de la permittivité diélectrique relative εmat du matériau constituant la lentille. ε eff = φ . ε air / vide + 1 − φ . ε mat
    Figure imgb0001
  • L'expression (A) peut ensuite être réduite à l'expression (B) en faisant l'approximation ε air/vide ≈ 1. ε eff ≈ 1 − φ . ε mat
    Figure imgb0002
  • On peut utiliser du Téflon® (PTFE) en tant que matériau constituant la lentille, qui présente une permittivité diélectrique relative de l'ordre de 2,1. En variante, on peut utiliser du PEEK, qui présente une permittivité diélectrique relative de l'ordre de 3,1. Le PEEK est préféré car il présente une bonne tenue mécanique et est plus résistant dans les conditions auxquelles l'antenne sera soumise.
  • Les figures 7 à 9 montrent des vues détaillées de la lentille 60. La lentille 60 présente une forme généralement tronconique autour de l'axe X. Elle comprend ici une portion proximale 61 qui est logée dans le guide d'ondes circulaire 20 et une portion distale 62 située à l'extérieur du guide d'ondes circulaire 20. La portion proximale 61 peut boucher l'extrémité 21 du guide d'ondes circulaire 20 (à l'exception de perçages éventuels), alors que la portion distale 62 présente une forme évasée. La portion distale 62 présente ici une forme de cornet.
  • La portion proximale 61 de la lentille 60 a une forme tronconique dont le plus petit diamètre d1 est situé à l'intérieur du guide d'ondes circulaire 20 et dont le plus grand diamètre d2 est égal au diamètre de l'extrémité 21 du guide d'ondes circulaire 20.
  • La portion distale 62 s'étend à partir de l'extrémité 21 du guide d'ondes circulaire et présente au niveau de l'extrémité 21 le diamètre d2. La portion distale 62 a un diamètre croissant en s'éloignant de l'extrémité 21 jusqu'à un diamètre maximal d3, supérieur au diamètre d2. Le rapport entre le diamètre d3 et le diamètre d2 est de préférence compris entre 1,9 et 3,0. Le rapport entre le diamètre d2 et le diamètre d1 est de préférence compris entre 1 et 4. La portion distale 62 comprend en outre un rebord 63 ou épaulement permettant à la lentille 60 d'être en butée sur l'extrémité 21 du guide d'ondes circulaire 20 lorsqu'elle est fixée sur ce dernier. De par sa forme évasée, la portion distale 62 présente une paroi 62a d'épaisseur e. La paroi 62a est ainsi située autour d'un volume de vide ou d'air. De préférence, l'épaisseur e est comprise entre λ/12 et λ/3 (où λ est la longueur d'onde moyenne utilisée par l'antenne pour émettre et/ou recevoir).
  • La portion proximale 61 s'étend dans le guide d'ondes circulaire 20 sur une première longueur L1 (mesurée selon l'axe X), et la portion distale s'étend sur une deuxième longueur L2 à partir de l'extrémité 21. La lentille 60 présente une longueur totale L égale à la somme des longueurs L1 et L2. Dans l'exemple illustré, la pente de la paroi 61a de la portion proximale 61, correspondant au rapport entre sa longueur et la demi-différence en valeur absolue de ses diamètres extrêmes, est supérieure à la pente de la paroi de la portion distale 62. En d'autres termes : L1/(d2-d1) ≥ L2/(d3-d2). De préférence le rapport L1/(d2-d1) est compris entre λ/25 et λ/6, et le rapport L2/(d3-d2) est inférieur à λ/40. Le rapport entre la longueur L1 et la longueur L2 est de préférence compris entre 1 et 3. Le rapport entre le diamètre d3 et la longueur L2 est de préférence compris entre 1 et 3.
  • La lentille 60 est ici fixée sur l'extrémité 21 du guide d'ondes circulaire 20 par l'intermédiaire d'éléments de fixation 63, par exemple des vis. Les éléments de fixation 63 peuvent être constitués du même matériau que celui de la lentille 60. Les éléments de fixation 64 sont logés dans des trous de fixation 62b traversant pratiqués dans la paroi 62a de la portion distale 62.
  • La portion proximale 61 présente en outre, dans l'exemple illustré, des perçages traversant 65 s'étendant parallèlement à l'axe X. La portion proximale 61 présente sept perçages traversant répartis sur et autour de l'axe X. Ces perçages 65 permettent notamment d'éviter l'apparition de décharges partielles dues à l'effet Corona, et peuvent également avoir pour fonction de réduire la permittivité diélectrique relative effective de la lentille 60.
  • L'antenne 10 présentée ci-avant peut être utilisée sur un satellite spatial en orbite pour établir des communications avec un émetteur/récepteur situé sur Terre. L'antenne 10 peut être utilisée par exemple sur une bande de fréquences opérationnelle comprise entre 7,985 GHz et 8,440 GHz. Les dimensions de l'antenne 10 pourront notamment être adaptées à la gamme de fréquences opérationnelle qui sera utilisée.

Claims (12)

  1. Antenne (10) pour un satellite spatial (1) comprenant au moins :
    - un guide d'ondes (20) ayant d'une extrémité (21) destinée à émettre ou à recevoir une onde électromagnétique,
    - une structure piège à ondes de surface (30) solidaire de l'extrémité du guide d'ondes, ladite structure comprenant une surface (31) s'étendant transversalement par rapport au guide d'ondes à partir de laquelle font saillie des anneaux concentriques (32) autour du guide d'ondes,
    caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une lentille diélectrique (60) fixée sur l'extrémité (21) du guide d'ondes, la lentille présentant une forme de révolution autour d'un axe (X) du guide d'ondes, le diamètre de la lentille étant croissant en s'éloignant de l'extrémité du guide d'ondes, et en ce que la lentille présente une permittivité diélectrique relative effective supérieure à 1 et inférieure ou égale à 5, la lentille (60) comprenant une portion distale (62) à l'extérieur du guide d'ondes, le diamètre de la portion distale étant croissant en s'éloignant de l'extrémité (21) du guide d'ondes (20), et une portion proximale (61) à l'intérieur du guide d'ondes, le diamètre de la portion proximale étant décroissant en s'éloignant de l'extrémité du guide d'ondes.
  2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle la permittivité diélectrique relative effective de la lentille (60) est comprise entre 2 et 4.
  3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la lentille (60) présente une forme tronconique.
  4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle un rapport entre le plus grand diamètre (d3) de la lentille (60) et le diamètre (d2) de la lentille pris à l'extrémité (21) du guide d'ondes (20) est compris entre 1,9 et 3,0.
  5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle un rapport entre la longueur (L) de la lentille (60) et le plus grand diamètre (d3) de la lentille est compris entre 0,3 et 0,8.
  6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la lentille (60) est en polytétrafluoroéthylène (PTFE).
  7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la lentille (60) est constituée de polyétheréthercétone (PEEK).
  8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la lentille (60) comprend des perçages (65) traversant.
  9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la lentille (60) est fixée sur le guide d'ondes (20) par des éléments de fixation (64) logés dans des trous de fixation (62b) prévus dans la lentille.
  10. Satellite spatial (1) comprenant une antenne (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
  11. Dispositif d'émission comprenant une source d'ondes électromagnétiques, une antenne (10) selon l'une des revendications 1 à 9 en communication avec la source, et un adaptateur (40, 50) entre la source et le guide d'ondes (20) de l'antenne.
  12. Dispositif de réception comprenant un récepteur d'ondes électromagnétiques, une antenne (10) selon l'une des revendications 1 à 9 en communication avec le récepteur, et un adaptateur (40, 50) entre le récepteur et le guide d'ondes (20) de l'antenne.
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