FR2845829A1 - Systeme d'antenne a double reflecteur a foyer en forme d'anneau multi bande - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une antenne à foyer en forme d'anneau et un procédé d'utilisation de celle-ci. L'antenne à foyer en forme d'anneau peut avoir un réflecteur principal (102) de révolution formé en tant que paraboloïde irrégulier autour d'un axe de visée de l'antenne. Une paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation (104, 108) est fournie, comprenant un réflecteur secondaire (108) de révolution formé en tant qu'ellipsoïde irrégulier ayant un foyer en forme d'anneau autour de l'axe de visée. Un élément d'alimentation (104) est installé à un emplacement d'élément d'alimentation séparé d'un vertex (114) du réflecteur secondaire (108) sur l'axe de visée de l'antenne. Le réflecteur principal est adapté à un fonctionnement avec de multiples paires réflecteur secondaire / élément d'alimentation (104, 108) ayant une configuration couplée et découplée. Le réflecteur principal peut fonctionner à une pluralité de bandes de fréquences à décalage spectral, comme C, X, Ku et Ka.
Description
SYSTEME D'ANTENNE A DOUBLE REFLECTEUR A FOYER EN FORME D'ANNEAU MULTI
BANDE
La présente invention concerne des systèmes d'antennes et plus particulièrement des antennes à foyer en forme d'anneau pseudo paraboliques configurées
pour un fonctionnement multi bande.
Il est souhaitable que les antennes micro-ondes de communications satellitaires disposent de la possibilité de fonctionner sur des bandes de fréquences multiples. Néanmoins, lorsque la taille des panneaux réflecteurs est affectée par le manque de place, des 10 techniques spéciales doivent être utilisées pour maintenir l'efficacité de l'antenne. Une telle technique est décrite dans le
brevet américain N0 6 211 834 Bl déposé par Durham et al. (ci-après Durham et al.) qui porte sur une antenne 15 à foyer en forme d'anneau formée multi bande.
Dans Durham et al., des paires réflecteur secondaire / élément d'alimentation couplées à proximité rapprochée avec des formes diverses sont utilisées pour le fonctionnement sur des bandes de 20 fréquences spectrales respectivement différentes. Leur
inversion modifie la bande opérationnelle de l'antenne.
L'avantage provient du placement du réflecteur secondaire formé à proximité rapprochée du cornet d'alimentation. Cela réduit le diamètre nécessaire du 25 réflecteur principal formé par rapport à une antenne conventionnelle à deux réflecteurs de type Cassegrain ou Gregorian. L'agencement précédent du cornet d'alimentation à proximité rapprochée du réflecteur
secondaire est appelé configuration couplée.
La configuration couplée décrite dans Durham et al. implique généralement un espacement entre le 5 réflecteur secondaire et le cornet d'alimentation de l'ordre de 2 longueurs d'onde ou moins. Cela est en contraste marqué avec l'espacement plus conventionnel entre le réflecteur secondaire et le cornet d'alimentation qui est utilisé dans une configuration 10 découplée, généralement de l'ordre de quelques dizaines de longueur d'onde. L'usage d'une configuration couplée permet remarquablement d'éviter également le problème de la migration du centre de phase avec la fréquence qui se produit dans les conceptions conventionnelles de 15 réflecteur secondaire utilisant une configuration découplée. Un problème associé aux systèmes utilisant de telles géométries de réflecteur à foyer en forme d'anneau est qu'il existe une limite fondamentale 20 relative à la taille électrique du réflecteur secondaire pour chaque configuration élément d'alimentation / réflecteur secondaire. Dans la configuration couplée décrite dans Durham et al., la taille électrique du réflecteur secondaire ne peut pas 25 être trop grande pour éviter la panne du système d'alimentation du réflecteur secondaire. En fait, la panne du système d'alimentation provoquée par un réflecteur secondaire d'une taille électrique trop grande constitue généralement le facteur limitant dans 30 la détermination de la plus grande fréquence de fonctionnement d'un système d'antenne, comme cela est
décrit dans Durham et ai. Par comparaison, dans les systèmes conventionnels à deux réflecteurs de types Cassegrain et Gregorian utilisant des cornets d'alimentation et des réflecteurs secondaires agencés 5 dans une configuration découplée, la taille électrique du réflecteur secondaire ne peut pas être trop petite pour éviter la panne des composants optiques du système.
Néanmoins, les systèmes de réflecteurs conventionnels de types Cassegrain et Gregorian ne fonctionnent pas 10 avec un réflecteur secondaire / une alimentation
agencés dans une configuration couplée.
Ce qui précède permet de comprendre que les limitations de la taille des réflecteurs secondaires dans les divers types d'antennes et d'autres facteurs 15 relatifs aux performances ont généralement créé une limite pratique à la plage de fréquences sur laquelle un système particulier d'antenne fonctionne efficacement. En conséquence, de nouvelles techniques sont nécessaires pour élargir la plage de 20 fonctionnement utile de fréquences pour permettre aux systèmes d'antennes micro-ondes à deux réflecteurs de fonctionner efficacement en tenant compte des contraintes de tailles et de performances sur quatre ou
plus de bandes de fréquences à décalage spectral.
L'invention concerne une antenne à foyer en forme d'anneau et un procédé de configuration d'une antenne à foyer en forme d'anneau. L'antenne à foyer en forme d'anneau peut avoir un réflecteur principal de révolution formé en parabolode irrégulier autour d'un 30 axe de visée de l'antenne. Une paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation est fournie, comprenant un réflecteur secondaire de révolution formé en ellipsode irrégulier ayant un foyer en forme d'anneau autour de l'axe de visée. Un élément d'alimentation est installé à un emplacement d'élément 5 d'alimentation espacé d'un vertex du réflecteur secondaire sur l'axe de visée de l'antenne. Le réflecteur principal est adapté à un fonctionnement avec une paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation ayant une configuration couplée et à une 10 paire réflecteur secondaire/ élément d'alimentation ayant une configuration découplée. Le réflecteur principal peut fonctionner sur une pluralité de bandes de fréquences à décalage spectral. Par exemple, l'antenne peut être conçue pour un fonctionnement sur 15 la bande C, sur la bande X, sur la bande Ku ou sur la
bande Ka.
Dans une configuration couplée, une des paires réflecteur secondaire / élément d'alimentation est installée de manière avantageuse sur le réflecteur 20 principal pour le fonctionnement de l'antenne à une bande inférieure des bandes de fréquences. L'élément d'alimentation peut en outre comprendre une ouverture d'alimentation qui est espacée du vertex du réflecteur secondaire. L'espacement est généralement inférieur à 2 25 longueurs d'ondes environ pour la configuration couplée. Une ouverture d'alimentation peut être espacée du vertex de plus de 5 longueurs d'ondes environ pour
la configuration découplée.
La figure 1 est un schéma d'antenne simplifié 30 d'une antenne formée multi bande avec une paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation dans une
configuration couplée.
La figure 2 est un schéma d'antenne simplifié de l'antenne formée multi bande de la figure 1 avec une 5 paire alternative réflecteur secondaire / élément
d'alimentation dans une configuration découplée.
Les architectures d'antennes à foyer en forme d'anneau formées sont connues dans l'état de la technique. Par exemple, une antenne à foyer en forme 10 d'anneau multi bande employant des alimentations de réflecteur principal à géométrie formée et de réflecteur secondaire formé à géométrie diverse est décrite dans le brevet américain No 6 211 834 Bi de Durham et al.. Dans Durham et al., des paires 15 interchangeables réflecteur secondaire / élément d'alimentation couplées à proximité rapprochée et formées diversement sont utilisées avec un seul réflecteur principal multi bande pour un fonctionnement à des bandes de fréquences spectrales respectivement 20 différentes. L'agencement du cornet d'alimentation à proximité rapprochée du réflecteur secondaire est appelé configuration couplée. L'inversion des paires réflecteur secondaire / élément d'alimentation change
la bande opérationnelle de l'antenne.
Le réflecteur principal et le réflecteur secondaire du système décrit dans Durham et al. sont respectivement formés en tant que paraboloide déformé ou irrégulier et en tant qu'ellipsode déformé ou irrégulier. En général, la forme du réflecteur 30 principal et la forme du réflecteur secondaire ne peuvent pas être définies par une équation comme cela
serait normalement possible dans le cas d'une forme conique régulière, comme une parabole ou une ellipse.
Au lieu de cela, les formes sont générées en exécutant un programme informatique qui résout un ensemble 5 prescrit d'équations en fonction de certaines
contraintes prédéfinies.
Selon un mode de réalisation préféré, un système d'antenne ayant une plus grande bande passante d'ensemble peut être obtenu en utilisant les techniques 10 décrites dans Durham et al. avec une combinaison de paires réflecteur secondaire / élément d'alimentation agencées dans une configuration couplée pour un fonctionnement à basse fréquence et d'autres paires réflecteur secondaire / élément d'alimentation agencées 15 dans une configuration découplée pour un fonctionnement à des fréquences supérieures. Le réflecteur principal et le réflecteur secondaire peuvent être formés de manière avantageuse en utilisant une modélisation informatique et un ensemble de contraintes prédéfinies 20 pour permettre aux deux types de paires réflecteur secondaire/ élément d'alimentation de fonctionner avec un seul réflecteur principal multi bande. Les systèmes conventionnels à deux réflecteurs de type Cassegrain ou Gregorian ne peuvent pas profiter 25 de cette combinaison d'alimentation alternative car ces systèmes ne fonctionnent pas dans une configuration couplée. La figure 1 est un schéma simplifié d'une antenne à foyer en forme d'anneau qui est utile pour comprendre 30 la présente invention. Sur la figure 1, un réflecteur principal formé multi bande 102 est représenté avec une -7 paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation, comprenant un élément d'alimentation 104 et un réflecteur secondaire 108. L'antenne utilise un réflecteur secondaire 108 qui a une surface formée 110 5 pour intercepter les ondes réfléchies par le réflecteur principal 102 avant leur foyer normal et pour les réfléchir vers l'élément d'alimentation 104. L'élément d'alimentation 104 comprend de préférence un cornet d'alimentation 106 pour la correspondance adéquate de 10 l'élément d'alimentation et de l'espace libre. Comme cela est représenté sur la figure 1, le cornet d'alimentation 106 se trouve espacée d'un vertex 114 du réflecteur secondaire 108 et séparée d'un écartement ou d'un espace 112 qui est à deux ou à moins de deux 15 longueurs d'ondes environ à la fréquence de fonctionnement de la paire réflecteur
secondaire / élément d'alimentation 104, 108. En conséquence, l'agencement de la paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation 104, 108 est 20 appelée une configuration couplée.
Il a été constaté que le réflecteur principal 102 peut être configuré de manière avantageuse pour que son usage ne soit pas limité à une configuration couplée, comme cela est représenté sur la figure 1. La forme du 25 réflecteur principal 102 peut être configurée de telle sorte que le réflecteur principal 102 fonctionne également avec une paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation découplée. La figure 2 représente le réflecteur principal 102 de la figure 1 30 en utilisation avec une seconde paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation comprenant un élément d'alimentation 204 et un réflecteur secondaire 208. L'élément d'alimentation 204 comprend un cornet d'alimentation 206 espacée d'un vertex 214 défini dans la surface 210 du réflecteur secondaire 208, comme cela 5 est représenté. L'élément d'alimentation 204 et le réflecteur secondaire 208 sont configurés pour fonctionner à une bande de fréquence supérieure à celle de la paire réflecteur secondaire / élément
d'alimentation 104, 108 de la figure 1.
L'agencement d'antenne de la figure 2 fonctionne généralement de la même manière que celle décrite cidessus par référence à la figure 1, si ce n'est que l'écartement ou l'espace 212 entre le vertex 214 du réflecteur secondaire 208 et le cornet d'alimentation 15 204 est considérablement plus grand que l'écartement 112, au moins en terme de nombre relatif de longueurs d'ondes à la fréquence de fonctionnement. Par exemple, l'espace 212 peut être supérieur à cinq et de préférence à huit longueurs d'ondes à la fréquence de 20 fonctionnement de la paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation 204, 208. En conséquence, l'agencement de la paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation 204, 208 est appelée une configuration découplée. Le réflecteur 25 principal 102 peut être formé de manière avantageuse pour fonctionner avec une paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation dans une configuration couplée et dans une configuration découplée. Un avantage significatif de la configuration du réflecteur principal 102 de telle sorte que sa forme accepte les paires réflecteur secondaire / élément d'alimentation couplées et découplées est que la bande passante de fonctionnement du réflecteur principal 102 peut être augmentée au-delà de celle possible en 5 utilisant uniquement une paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation couplée ou découplée. Plus particulièrement, pour les systèmes conventionnels comme les agencements de type Cassegrain ou Gregorian utilisant des configurations de paire 10 réflecteur secondaire / élément d'alimentation découplée, la taille électrique du réflecteur secondaire ne peut pas être trop petite pour éviter la panne des composants optiques du système. Cela restreint les limites de fréquences inférieures de 15 fonctionnement pour une telle antenne compte tenu d'un
réflecteur principal d'un diamètre particulier.
Réciproquement, pour la configuration couplée, la taille électrique du réflecteur secondaire 108 ne peut pas être trop grande pour éviter la panne du système 20 d'alimentation. En conséquence, pour une taille de réflecteur d'antenne donnée (généralement spécifiée), une conception découplée ne peut pas répondre à certaines spécifications requises à la fréquence de fonctionnement la plus basse souhaitée, alors qu'une 25 configuration couplée le peut. La plage physique de fonctionnement de la conception couplée est de 1 à 15 longueurs d'ondes pour le diamètre de sous-plaque / de plaque de protection. En créant un réflecteur principal multi bande qui peut profiter des avantages des 30 configurations d'alimentations couplées et découplées, la plage d'ensemble des fréquences sur laquelle le réflecteur principal 102 peut être utilisé avec de multiples combinaisons réflecteur secondaire / élément d'alimentation est significativement accrue par rapport à l'art antérieur. En fait, un système combiné qui 5 utilise des types couplés et découplés de paires réflecteur secondaire / élément d'alimentation peut atteindre une bande passante opérationnelle pour un seul réflecteur principal qui est améliorée d'environ un ordre de grandeur par rapport aux conceptions 10 utilisant des configurations exclusivement couplées ou
exclusivement découplées.
Selon un mode de réalisation préféré, la forme précise du réflecteur principal 102 peut être déterminée en fonction d'une analyse informatique. La 15 géométrie du réflecteur principal est configurée de manière avantageuse pour être utilisée indistinctement avec chacun respectivement des réflecteurs secondaires configurés différemment et des alimentations associées pour des bandes de fréquences différentes ayant des 20 configurations couplées et découplées. La géométrie de réflecteur est également configurée pour réaliser une caractéristique de géométrie optique composite répondant à l'ensemble des critères de performances (par exemple, profil de directivité ayant une enveloppe 25 de lobe latéral réduite ou sensiblement supprimée) aux bandes de fréquences opérationnelles différentes respectives. La forme résultante du réflecteur principal est une surface conique de révolution qui est généralement, mais pas forcément précisément, 30 parabolique. La forme résultante du réflecteur secondaire est de même une surface conique de révolution qui est généralement, mais pas forcément
précisément, elliptique.
Compte tenu des entrées d'alimentation prescrites et des conditions de limites de l'antenne, la forme 5 d'un réflecteur secondaire et la forme d'un réflecteur principal sont générées en exécutant un programme informatique qui résout un ensemble prescrit d'équations pour les contraintes prédéfinies. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les 10 équations employées sont celles qui: 1. assurent la conservation d'énergie sur toute l'ouverture de l'antenne, 2. fournissent une phase égale sur toute l'ouverture de l'antenne, et 3. obéissent à la loi de Snell. Les détails concernant ce processus sont donnés 15 dans le brevet américain N0 6 211 834 de Durham et al. Pour un ensemble donné de configurations et de formes générées de réflecteur secondaire / élément d'alimentation et de formes de réflecteur principal, les performances de l'antenne sont ensuite analysées au 20 moyen d'une simulation informatique pour déterminer si les formes d'antenne générées produisent une caractéristique de directivité souhaitée. Les bandes de fréquences de fonctionnement inférieures sont présumées utiliser une ou plusieurs paires réflecteur 25 secondaire / élément d'alimentation de configuration couplée. Un exemple d'une spécification de système de bande basse est un système conforme aux exigences de l'enveloppe de lobe latéral Intelsat à une bande 30 opérationnelle prescrite (par exemple, la bande C ayant une bande passante de réception de 3,7 à 4,2 GHz et une bande passante d'émission de 5,9 à 6,4 GHz). Si les critères de performances de conception ne sont pas initialement satisfaits, une ou plusieurs des contraintes de paramètres des équations sont ajustés de 5 manière itérative et les performances de l'antenne sont analysées pour le nouvel ensemble de formes. Ce processus est répété de manière itérative autant de fois qu'il le faut jusqu'à ce que la forme de réflecteur secondaire d'antenne formée, la configuration de couplage et la forme du réflecteur principal répondent aux spécifications de performances
opérationnelles souhaitées de l'antenne.
Cette séquence itérative de formage et d'analyse de performances est également suivie pour une autre 15 bande (séparée de manière spectrale) telle qu'une bande X ayant une bande passante de réception de 7,25 à 7,75 GHz et une bande passante d'émission de 7,9 à 8,4 GHz pour réaliser un ensemble de formes de réflecteur secondaire et de réflecteur principal à la seconde 20 bande opérationnelle. Les bandes de fonctionnement supérieures sont configurées de manière avantageuse avec une configuration réflecteur secondaire / élément d'alimentation qui est découplée. Néanmoins, l'invention ne se limite pas à cela. Il a été déterminé 25 que la forme du réflecteur principal 102 peut être sensiblement identique à celle d'une pluralité de bandes de fréquences à décalage spectral, bien que des réflecteurs secondaires configurés différemment avec des agencements de couplage différents puissent être 30 utilisés pour chaque bande. Bien que chaque ensemble de formes de réflecteur secondaire et de réflecteur principal puisse être dérivé séparément, comme cela est décrit ci-dessus, il est également possible de dériver un premier ensemble de formes pour une première bande et ensuite d'utiliser les paramètres pour le réflecteur 5 principal formé (de la première bande) (qui est également à utiliser avec la seconde bande) pour dériver la forme du réflecteur secondaire pour la
seconde bande.
De façon générale, selon l'invention, la forme du 10 réflecteur secondaire est telle que ce dernier comprend
une surface de révolution non linéaire.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la paire réflecteur secondaire/élément d'alimentation de l'antenne est sélectivement choisie dans un groupe 15 interchangeable comprenant une configuration couplée et
une configuration découplée.
Selon le mode de réalisation préférée de l'invention décrit plus haut, le réflecteur principal et au moins un des réflecteurs secondaires sont formés 20 respectivement en tant que surfaces de révolution
coniques irrégulières différentes.
Claims (7)
1. Antenne comprenant: une pluralité de paires réflecteur secondaire / élément d'alimentation (104, 108) respectivement configurées pour fonctionner à 5 différentes bandes d'une pluralité de bandes de fréquences à décalage spectral de fonctionnement de ladite antenne, chacune desdites paires réflecteur secondaire / élément d'alimentation (104, 108) comprenant un réflecteur secondaire (108) ayant une 10 surface non linéaire formée de révolution autour de l'axe de visée de ladite antenne pour former un foyer en forme d'anneau autour dudit axe de visée, et un élément d'alimentation (104) installé à un emplacement d'élément d'alimentation séparé d'un écartement d'un 15 vertex (114) dudit réflecteur secondaire (108) sur ledit axe de visée de ladite antenne; un réflecteur principal (102) ayant une surface formée de révolution autour dudit axe de visée de ladite antenne et pouvant fonctionner à ladite 20 pluralité de bandes de fréquence à décalage spectral, ledit réflecteur principal (102) étant adapté pour avoir individuellement chaque dite paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation (104, 108) installée sur celui-ci; et dans lequel au moins une desdites paires réflecteur secondaire / élément d'alimentation (104, 108) est d'une configuration couplée et au moins une seconde desdites paires réflecteur secondaire / élément d'alimentation (104, 108) est d'une configuration découplée.
2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle une configuration couplée d'une desdites paires 5 réflecteur secondaire/ élément d'alimentation (104, 108) est installée sur ledit réflecteur principal (102) pour le fonctionnement de ladite antenne à la plus basse de ladite pluralité de bandes de fréquences à
décalage spectral.
3. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle ledit réflecteur principal (102) et au moins un desdits réflecteurs secondaires (108) sont formés respectivement en tant que surfaces coniques
irrégulières différentes de révolution.
4. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle au moins un desdits réflecteurs secondaires (108) est formé en tant qu'ellipsode déformé et ledit réflecteur principal (102) est formé en tant que parabolode déformé.
5. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle ledit réflecteur secondaire (108) comprend un réflecteur sélectionné parmi une pluralité de réflecteurs secondaires (108) différents respectivement configurés pour un fonctionnement à des bandes de 25 fréquences différentes, et dans laquelle ledit élément d'alimentation (104) comprend un élément sélectionné parmi une pluralité d'éléments d'alimentation différents respectivement configurés pour le fonctionnement auxdites bandes de fréquences différentes, moyennant quoi la bande de fonctionnement de ladite antenne est celle dudit réflecteur secondaire (108) sélectionné et dudit élément d'alimentation (104) sélectionné.
6. Antenne pour le fonctionnement sur une pluralité de bandes de fréquences à décalage spectral, comprenant: une antenne à foyer en forme d'anneau ayant un réflecteur principal (102) de révolution formé en tant que parabolode irrégulier autour d'un axe de visée de ladite antenne, et une paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation (104, 108) comprenant un réflecteur secondaire (108) de révolution formé en tant qu'ellipsode irrégulier ayant un foyer en forme d'anneau autour dudit axe de visée, et un élément 15 d'alimentation (104) installé à un emplacement d'élément d'alimentation séparé d'un vertex (114) dudit réflecteur secondaire (108) sur ledit axe de visée de ladite antenne; et dans lequel ledit réflecteur principal (102) est adapté à un 20 fonctionnement avec au moins une dite paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation (104, 108) ayant une configuration couplée et au moins une paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation (104,
108) ayant une configuration découplée.
7. Procédé de configuration d'une antenne pour un fonctionnement sur une bande de fréquence sélectionnée parmi une pluralité de bandes de fréquences différentes, comprenant les étapes consistant à: fournir une antenne à foyer en anneau ayant un 30 réflecteur principal (102) de révolution formé en tant que parabolode irrégulier autour d'un axe de visée de ladite antenne, et positionner sur ledit axe de visée une paire réflecteur secondaire / élément d'alimentation 5 comprenant un réflecteur secondaire (108) de révolution formé en tant qu'ellipsode irrégulier ayant un foyer en forme d'anneau autour dudit axe de visée, et un élément d'alimentation (104) installé à un emplacement d'élément d'alimentation séparé d'un vertex (114) dudit 10 réflecteur secondaire (108) sur ledit axe de visée de ladite antenne, ladite paire réflecteur
secondaire / élément d'alimentation (104, 108) étant sélectivement choisie dans un groupe interchangeable comprenant une configuration couplée et une 15 configuration découplée.
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