FR2653941A1 - Antenne de reception multifocale a direction de pointage unique pour plusieurs satellites. - Google Patents

Abstract

L'antenne de réception comporte au moins deux secteurs ou parties de paraboloïdes focalisant le rayonnement sur leurs axes en des points respectivement F1 et F2 décalés d'un nombre entier de longueurs d'onde du rayonnement reçu. Chaque secteur ou partie est associé à une source hélicoïdale située dans sa zone focale de même axe que le secteur correspondant

Description

L'invention se rapporte aux matériels de réception de satellite

disponibles sous forme de stations individuelles de réception et plus particulièrement aux antennes de réception utilisables avec une tête hyperfréquence et un démodulateur pour constituer de telles stations.

L'antenne d'une station de réception satellite est tradi-

tionnellement constituée par un réflecteur parabolique. Ce ré-

flecteur est la plupart du temps de forme circulaire ou ovoide.

Dans tous les cas, le principe de réception reste le même: les

ondes électromagnétiques sont focalisées sur le foyer de récep-

tion. Le signal est reçu par une "source" puis amplifié par la

tête hyperfréquence.

Il existe plusieurs types d'antennes paraboliques. Les trois principaux types d'antennes sont les suivants: - L'antenne de type à symétrie de révolution, ou "Prime

focus", dont la tête hyperfréquence est soutenue par un tré-

pied fixé aux bords externes de la parabole, et directement placée à proximité du foyer du réflecteur: La présence de la tête dans la partie active de la parabole entraîne un effet de masque et des phénomènes de diffraction. Un guide d'ondes (feeder) est parfois utilisé pour acheminer le signal de la

source à la tête hyperfréquence (placée dans ce cas à l'arrière).

- L'antenne de type "Cassegrain" dont la tête hyperfréquenceest installée à l'arrière du réflecteur principal et reçoit les ondes réfléchies sur un subréflecteur hyperbolique qui reconcentre vers l'amplificateur faible bruit (dit LNA pour "Low Noise Amplifier") les signaux reçus par le réflecteur

principal; ce subréflecteur est générateur d'un effet de masque.

- L'antenne de type à illumination décalée, ou "off-

set" qui est une antenne parabolique à foyer décentré: l'ampli-

ficateur faible bruit et la source sont décalés de manière à

réduire l'effet de masque.

Le choix du type d'antenne dépend principalement de la taille de la tête hyperfréquence utilisée: une tête hyperfréquence volumineuse, si elle est placée au centre de la parabole, diminue son gain. Par ailleurs, les matériaux employés

pour la réalisation des réflecteurs paraboliques sont principale-

ment de type plastique ou métallique (aluminium). Enfin, le diamètre de la parabole est fonction du facteur de mérite, G/T, reliant le gain G de la parabole et la température de

bruit globale T désirée sur la station. Ce diamètre a pu décroî-

tre considérablement ces dernières années, à G/T constant, du fait des améliorations technologiques des amplificateurs qui se

sont traduites par une diminution de leur température de bruit.

Le diamètre de la parabole définit son ouverture et, outre leur discrétion, l'avantage majeur des paraboles de petit diamètre

est la facilité de pointage du fait de l'augmentation d'ouver-

ture correspondante. Cependant l'ouverture fixe en même temps

la sensibilité du système aux interférences provenant des satel-

lites voisins du satellite visé, ce qui limite la réduction de

diamètre possible.

D'autre part, la plupart des constructeurs ont actuelle-

ment en cours de développement, des antennes réseaux, dites antennes plates, destinées soit à la réception d'émissions de télévision, soit aux communications, mobiles ou fixes, pour la transmission de données à usage professionnel: toute la surface de l'antenne reçoit les signaux radioélectriques émis par le satellite; un réseau de micro-éléments de réception est placé

en parallèle et le gain est fonction de la surface de l'antenne.

Le rendement de telles antennes plates diminue notable-

ment lorsque la surface d'antenne augmente du fait de la perte

engendrée dans les systèmes de sommation.

Mais, I'utilisation d'une antenne plate est susceptible de simplifier les procédures et donc de limiter les coûts, d'installations: une antenne plate peut être installée presque à la verticale d'un mur, ou collée sur un toit. Elle se fond au décor (qualités esthétiques supérieures que lui confère son

design): faible épaisseur, dimensions réduites (elle se pré-

sente sous forme de carrés de 35 à 70 cm de côté), légèreté, discrétion;

Pour être en mesure de recevoir les programmes de plu-

sieurs satellites une antenne plate devrait faire l'objet d'une motorisation. Des antennes réseaux à pointage électronique sont en cours de développement. Elles permettront de recevoir les émissions de plusieurs satellites voisins sans mouvement. Mais aucune réalisation grand public n'est connue à ce jour, car chaque micro-élément doit être commandé en phase ce qui affecte

notablement le gain et la température de bruit de l'antenne.

De plus en l'état actuel de la technologie ces antennes plates ont trois inconvénients importants: - le gain de réception d'une antenne plate est en moyenne de 25 % moins élevé que celui d'une antenne parabolique, la

largeur de bande est limitéed et pour recevoir les 2 polarisa-

tions circulaires il faut 2 antennes; - le coût de production d'une telle antenne est élevé, principalement pour deux raisons: 1. des matériaux coûteux sont nécessaires pour minimiser les pertes; 2. la matrice représentée par la surface réceptrice de l'antenne nécessite un raccordement individuel de chacun des micro-éléments. En ce qui concerne les têtes hyperfréquences, celles-ci se composent de deux éléments: un amplificateur à faible bruit (LNA), et un convertisseur à faible bruit (LNC pour Low Noise Converter), qui peuvent être montés en moduleurs indépendants à la suite l'un de l'autre, ou intégrés dans un boîtier unique

(LNB: Low Noise Block down converter).

Par ailleurs, les bandes de fréquences allouées aux émis-

sions de télévision par satellite géostationnaire ont été optimi-

sées pour dégager un nombre suffisant de canaux pour l'ensem-

ble des exploitants potentiels (pays et organisations internatio-

nales). En conséquence les satellites de type DBS utilisent deux types de rayonnements électro-magnétiques polarisés selon des directions opposées. Deux émissions peuvent ainsi co-exister sur un même canal: leurs polarisations inverses permettent de les

séparer à la réception.

Les polarisations utilisées par les deux types de satelli-

tes de télévision sont les suivantes.

Pour les satellites de télédiffusion directe: - polarisation circulaire droite (ou "right hand circular polarization") par exemple TDF1, BSB, BS, OLYMPUS; - polarisation circulaire gauche (ou "left hand circular

polarization") par exemple TVSAT, OLYMPUS.

Pour les satellites de télécommunications: - polarisation linéaire horizontale: par exemple Intelsat V,ECS i F1 - polarisation linéaire verticale: par exemple Intelsat V, ECS 1 F1, Télécom 1; les canaux des satellites des organisations "Eutelsat" et '"Intelsat" affectés à des émissions

de télévision se répartissent en deux sous-groupes de program-

mes, qui correspondent chacun à une polarisation différente.

Lorsqu'une station de réception est destinée à recevoir plusieurs types de polarisations, des dépolariseurs sont prévus

pour permettre à l'utilisateur de choisir à volonté la polarisa-

tion désirée. Le choix de ces systèmes est fonction de la nature

des polarisations reçues.

Dans le cas des polarisations horizontales et verticales,

il est nécessaire de recourir à un système motorisé de change-

ment de polarisation, le plus souvent monté sur le guide d'ondes

de la parabole.

Dans le cas des polarisations circulaires droite et gau-

che (satellites de télédiffusion directe), la réception simulta-

née des signaux polarisés nécessite un guide d'onde à double sortie, équipé d'un transducteur orthomode permettant de monter

sur une même parabole deux têtes hyperfréquences dédiées cha-

cune à une polarisation différente.

Des systèmes motorisés destinés à assurer la permutation

des têtes hyperfréquences au centre de la parabole sont actuelle-

ment étudiés, mais la fiabilité de ces équipements est insuffi- sante.

Des têtes à très large bande, multifréquences par commu-

tation de bande ou synthèse de fréquence agile, devraient per-

mettre de recevoir l'ensemble des fréquences allouées aux émis-

sions de télévision. Mais de telles têtes multi-bande, ne seront

pas disponibles à des prix abordables rapidement.

La sortie de la tête hyperfréquence est reliée à un démo-

dulateur qui convertit et démodule le signal reçu dans la bande intermédiaire satellite (BIS) 950 à 1750 MHz. Le démodulateur permet d'effectuer la sélection des canaux satellite. Seuls les démodulateurs à large bande d'entrée, qui couvrent la totalité de la gamme de fréquences de 950 à 1750 MHz, sont susceptibles

de recevoir les émissions de l'ensemble des satellites qui cou-

vriront l'Europe dans les prochaines années. Actuellement ces démodulateurs ne sont utilisés au maximum de leurs possibilités que dans les stations motorisées destinées à la réception de

plusieurs satellites.

Le problème résolu par la présente invention est la récep-

tion au moyen d'une seule antenne, fixe, d'émissions reçues de

l'un ou l'autre de plusieurs satellites situés sur la même posi-

tion orbitale, mais polarisés de manières différentes.

L'invention a donc pour objet une antenne de réception à direction de pointage unique, permettant la réception simultanée

de plusieurs satellites situés sur la position orbitale, permet-

tant la sélection de l'une des polarisations circulaires droite ou gauche avec un découplage correct (figure 1), ou en option une composition de ces deux polarisations pour restituer un

rayonnement polarisé linéairement, qui ne nécessite aucune moto-

risation et qui de plus est d'encombrement assez réduit et à

faible coût.

Pour cela le réflecteur de l'antenne est du type parabo-

lique et à symétrie de révolution ou à illumination décalée, mais avec des adaptations essentielles qui permettent de le

rendre multifocal et est associé à plusieurs sources correcte-

ment découplées pour la réception de rayonnements de polarisa-

tions différentes.

Selon l'invention une antenne de réception multifocale à direction de pointage unique, pour plusieurs satellites, est

caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs secteurs ou par-

ties de paraboloides ayant des axes de même direction et des

foyers espacés d'un nombre entier de longueurs d'onde du rayon-

nement à recevoir, pour concentrer le rayonnement reçu des

satellites vers les foyers et recevoir simultanément des rayonne-

ments polarisés différemment.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristi-

ques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en réfé-

rence aux figures annexées: La figure 1 est le schéma de principe d'un premier mode

de réalisation d'une antenne multifocale selon l'invention.

La figure 2 est le schéma d'une antenne de même type,

accompagné de diagrammes explicatifs.

La figure 3 est le schéma d'un second mode de réalisation

d'une antenne multifocale selon l'invention.

La figure 4 est le schéma d'un troisième mode de réalisa-

tion d'une antenne multifocale selon l'invention.

Les figures 5 à 9 sont des schémas plus détaillés de différents types de sources, doubles de même axe, utilisables avec un réflecteur en deux parties du type de celui représenté

sur la figure 1.

Pour obtenir une antenne multifocale, l'invention prévoit

un réflecteur formé de plusieurs secteurs ou parties de parabo-

loïdes, chacun de ces secteurs focalisant le rayonnement paral-

lèle qu'il reçoit dans une zone focale o est disposée une source.

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Pour pouvoir recevoir l'une et l'autre des deux polarisa-

tions circulaires, droite et gauche, deux secteurs ou parties

sont prévus et chacun des deux secteurs ou parties de parabo-

loïdes du réflecteur est associé à une source à ondes de surface hélicoïdale, les deux sources étant des spirales ou hélicoides en sens contraires d'axes confondus avec les axes des secteurs ou parties de paraboloides auxquels elles sont associées. La figure 1 illustre un premier mode de réalisation de I'antenne suivant l'invention dans lequel les deux secteurs ou parties de paraboloides ont le même axe x'x, le premier 1, étant le secteur central d'un paraboloide d'axe de focale Fi et ayant un diamètre extérieur dl, l'autre étant une couronne d'un

paraboloïde de même axe de focale F2, ayant un diamètre inté-

rieur dl et un diamètre extérieur d2. Ces deux secteurs ou parties de paraboloides sont disposés de façon que la distance d entre leurs foyers respectifs soit égale à K A o K est un nombre entier et À est la longueur d'onde du rayonnement reçu. Dans les zones focales de ces deux secteurs ou parties de paraboloides sont disposées deux sources, respectivement S1 et S2, hélicoïdales, dont le pas, le nombre de spires ainsi que le sens de bobinage sont adaptés à la réception de rayonnement polarisé circulairement respectivement à droite et

à gauche. Ces deux sources sont reliées à des amplificateurs fai-

ble bruit respectivement LNA1 et LNA2 faisant partie des têtes hyperfréquences associées (non représentées complétement) situées à l'arrière des paraboloides par des câbles coaxiaux, l'âme du câble se prolongeant par la spirale

tandis que le conducteur extérieur est terminé par un disque.

Une représentation plus précise des sources est donnée sur les figures 4 à 9 qui seront décrites plus en détails ci-après. Sur le schéma de la figure 1, la source S1 est montée pour être excitée selon un mode "back- fire", tandis que la source S2 est montée pour être excitée selon un mode dit "end-fire". Le rayonnement focalisé par le secteur de paraboloide 1 excite la source S1 qui alimente l'amplificateur à faible bruit LNA1; de même le secteur ou partie de paraboloïde 2 focalise le rayonnement qu'il reçoit vers la source S2 qui convertit le rayonnement et le transmet à l'amplificateur faible

bruit LNA2.

Il importe que le découplage entre Ies rayonnements

reçus respectivement par S1 et S2 soient correctement décou-

plés, c'est-à-dire que chacune des sources reçoivent de manière

sélective l'un des deux rayonnements polarisé circulairement.

Or le rayonnement reçu par le réflecteur 1 et focalisé sur S1 produit un rayonnement arrière qui perturbe la source S2 et contribue à détériorer le signal qu'elle reçoit, sauf si des

dispositions particulières sont prises pour éviter ces perturba-

tions ou utiliser le rayonnement arrière pour contribuer au

signal utile sur S2. Sur la figure 1 a été représenté un absor-

bant électromagnétique, 3 qui permet d'éviter que le rayonne-

ment arrière non capté par S1 perturbe la source S2.

La figure 2 illustre une antenne comportant des réflec-

teurs semblables à ceux de la figure 1 dans laquelle au lieu de prévoir un absorbant entre les deux sources, il est prévu une

structure particulière des sources qui permet au lieu de suppri-

mer le rayonnement arrière créé par le premier réflecteur, après

son foyer, d'utiliser ce rayonnement arrière de façon à augmen-

ter le gain, ce qui permet éventuellement de diminuer la surface du réflecteur 2. Comme précédemment, le paraboloide i est

associé à la source S1, son diagramme de rayonnement, repré-

senté sur la figure, correspondant au cône de rayonnement re-

çu. Mais la source S2 est constituée de deux spirales ou hélicoides S'2 et S"2 dont les phases sont ajustées de façon que la combinaison des deux diagrammes de rayonnement créé un diagramme résultant dans lequel un trou est prévu selon l'axe x'x, le rayonnement arrière transmis après le foyer F1 contribuant à établir globalement un diagramme de rayonnement semblable à celui obtenu pour la source S1. Cette deuxième

solution a l'avantage d'utiliser au mieux l'ensemble du rayonne-

ment reçu par les réflecteurs, et donc optimise le gain résul-

tant sur les deux secteurs ou parties de l'antenne par rapport

aux surfaces utiles des réflecteurs.

La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation de l'antenne multifocale selon l'invention. Dans ce mode de réalisation les deux secteurs ou parties de paraboloides ont des axes parallèles, xl, x'1 et x2, x'2 et non plus confondus comme dans les modes de réalisation représentés sur les figures 1 et 2, et leurs foyers sont situés sur une même perpendiculaire à ces axes. Comme dans les figures précédentes la distance F1F2 entre les deux foyers des secteurs ou parties de paraboloides d est égale à K A Dans ce mode de réalisation les deux sources hélicoïdales S1 et S2 sont excitées selon les modes dit "backfire", les deux hélicoides étant comme précédemment bobinés en sens inverse de façon à être excités respectivement par les rayonnements

polarisés gauche, G, et droite, D. Les réflecteurs correspon-

dants 1' et 2' ne sont plus symétriques par rapport à leurs axes

xx'2 et x2x'2.

La figure 4 représente un troisième mode de réalisation de l'antenne multifocale selon l'invention dans lequel les

réflecteurs ont une structure symétrique, du type de celle repré-

sentée aux figures i et 2, les deux sources hélicoïdales étant alignées sur l'axe commun x'x des réflecteurs, ces sources S1 et S2 respectivement "end-fire" et "back-fire" étant

reliées par les câbles coaxiaux très faible perte aux amplifica-

teurs faible bruit correspondant LNA1 et LNA2 par une structure mécanique dite centrale, les points de raccordement des hélicoïdes aux câbles coaxiaux étant situés au milieu du segment F1 F2 reliant les deux foyers des deux secteurs ou

parties de paraboloides. Cette structure est un peu plus sim-

ple mécaniquement que celle représentée sur la figure I o les câbles coaxiaux reliant les sources S1 et S2 ne sont pas

semblables, le second étant sensiblement plus long que le pre-

mier. Au contraire la structure représentée sur la figure 4 est symétrique en ce sens que les deux câbles coaxiaux ont la même longueur, l'accès central étant relié aux amplificateurs faible bruit par une structure de câbles coaxiaux déportés par rapport à l'axe x'x des réflecteurs. Un autre avantage des structures

à attaque centrale est qu'au voisinage des points de raccorde-

ment peut être logé un circuit électronique, notamment dans le cas o l'on souhaite combiner les deux polarisations pour

restituer le rayonnement reçu avec une polarisation linéaire.

Les figures 5 à 9 illustrent en détails les structures possibles des deux sources hélicoïdales alignées sur l'axe

commun des réflecteurs.

La figure 5 illustre une structure o les deux sources hélicoïdales sont excitées selon un mode "back-fire", la première S1 étant disposée comme sur la figure 1, tandis que la seconde est également alimentée en "backfire" ce qui n'était pas le cas de la source S2 sur la figure 1. Sur toutes ces figures les deux hélicoïdes S1 et S2 sont bobinées de telle façon qu'elles soient adaptées respectivement à l'une des deux polarisations circulaires, respectivement droite D ou gauche G. La figure 6 illustre plus en détails le même mode de réalisation des sources que sur la figure 1, S1 étant excitée en "back-fire" tandis que S2 est excitée selon un mode

"end-fire".

La figure 7 illustre un autre mode de réalisation selon lequel les deux sources hélicoïdales sont excitées selon un mode "end-fire", les câbles coaxiaux reliant ces sources aux amplificateurs faible bruit correspondants entourant les sources

à une distance 1 de l'axe suffisante pour ne pas créer de pertur-

bation. La figure 8 illustre en détails un mode de réalisation

des sources telles que celles utilisées dans l'antenne multifo-

cale représentée sur la figure 4, avec connexion centrale des

sources respectivement excitées en "back-fire" et "end-

fire", l'arrivée commune étant déportée par rapport à l'axe

commun des hélicoides.

La figure 9 illustre un autre mode de réalisation, égale-

ment avec une attaque centrale, mais dans ce mode de réalisation les deux câbles coaxiaux sont situés symétriquement de part et d'autre de la source S1 et se rejoignent sur l'axe commun des hélicoides. Dans ce mode de réalisation, comme dans celui de

la figure 7, les câbles, ou portions de câbles, situés symétri-

quement de part et d'autre de l'axe commun x'x des hélicoides peut permettre de supporter un radome protecteur 5

représenté en pointillés sur ces deux figures.

Une telle antenne permet donc de recevoir des émissions polarisées circulairement sur l'une ou l'autre des deux voies, suivant le sens de la polarisation circulaire. Elle permet également d'obtenir, par addition vectorielle des deux voies, les polarisations linéaires, horizontales H, ou verticales V. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précisément décrits et représentés, tant pour les secteurs ou parties de paraboloides que pour les sources et leur

agencement; notamment, il est possible d'envisager un réflec-

teur constitué de plus de deux secteurs ou parties de parabo-

loides, chaque secteur ou partie focalisant une partie du rayonnement dans une zone focale correspondante o est disposé, pour chacun des secteurs ou parties, une source à ondes de surface correspondante. Ces sources peuvent être des hélicoïdes, comme décrit ci-dessus, mais peuvent également être des sources à réseaux imprimés ou des sources à diélectrique.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Antenne de réception multifocale à direction de poin-

tage unique, pour plusieurs satellites, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs secteurs ou parties de paraboloïdes (1, 2) ayant des axes de même direction (x'x) et de foyers (F1, F2) décalés d'un nombre entier de longueurs d'onde du rayonnement à recevoir, pour concentrer le rayonnement reçu des satellites vers les foyers et recevoir simultanément des

rayonnements polarisés différemment.

2. Antenne- selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte, pour le couplage du rayonnement, des sources (S1, S2) à ondes de surface formées d'illuminants hélicoïdaux respectivement reliées à des amplificateurs faible bruit par des câbles coaxiaux, ces sources étant situées dans les zones de concentration du rayonnement et ayant des axes confondus avec les axes des secteurs ou parties de paraboloide y

associés (x'x).

3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte deux secteurs ou parties de paraboloides et en ce que les deux illuminants hélicoïdaux y associés sont adaptés à la réception des composantes du rayonnement à polarisation

circulaire respectivement droite et gauche.

4. Antenne selon l'une des revendications 2 et 3, caracté-

risée en ce que les secteurs ou parties de paraboloides ont le même axe, qui est en même temps l'axe des hélicoides, les foyers des paraboloides étant espacés sur cet axe de K,\ et chaque secteur ou partie ayant une symétrie de révolution autour de cet axe.

5. Antenne selon la revendication 4, caractérisé en ce que, le paraboloïde ayant la focale la plus petite est utilisé dans sa partie centrale pour former le premier secteur ou partie (1), l'autre paraboloide étant utilisé pour former le second secteur ou partie (2) dans une partie en forme de couronne de

diamètre intérieur égal au diamètre (dl) du premier secteur.

6. Antenne selon l'une des revendications 2 et 3, caracté-

risée en ce que les secteurs ou parties de paraboloïdes ont des axes parallèles espacés de K A, les foyers des hélicoïdes y

associés étant sur un axe orthogonal à ces axes parallèles.

7. Antenne selon l'une des revendications 3 à 6, caracté-

risée en ce qu'un absorbant électromagnétique (3) est disposé entre les deux illuminants de sorte que l'illuminant hélicoïdal le plus éloigné des surfaces réfléchissantes des secteurs ou

parties de paraboloides ne soit pas perturbé par l'onde ar-

rière focalisée sur l'autre illuminant.

8. Antenne selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisée en ce que les surfaces réflectrices des secteurs ou parties de paraboloides sont du même ordre de grandeur et ajustées pour que les gains des parties d'antennes

correspondantes soient égaux, compte tenu des perturbations.

9. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que les hélicoïdes de même axe sont toutes deux excitées par

l'arrière type back Lire.

10. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce

que les hélicoïdes de même axe sont excitées l'une par l'ar-

rière, type back-fire, l'autre par l'extrémité, type end-

fire.

11. Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce que les points de connexion des hélicoîdes aux câbles coaxiaux reliés aux amplificateurs faible bruit sont sur leur axe commun,

entre les deux hélicoides.

12. Antenne selon l'une des revendications 8 à 10, carac-

térisée en ce que chacune des deux hélicoides étant reliée à un câble coaxial, ces deux câbles sont placés symétriquement, par rapport à l'axe dans les parties o ils sont séparés et à une distance suffisante des hélicoides, l'ensemble formé par les hélicoides étant alors susceptible de recevoir un radome de

protection (5).

13. Antenne selon la revendication 12, caractérisé en ce que le premier secteur ou partie est traversé en son centre par

les câbles coaxiaux reliés aux deux sources.