FR2863408A1 - Antenne source en guide d'onde a ouverture rayonnante - Google Patents

Abstract

L'invention fournit une source primaire qui permettent d'avoir une illumination asymétrique compatible avec un réflecteur elliptique et ayant un faible encombrement. L'invention utilise un court bâtonnet pour modifier le rayonnement d'une section de guide ouverte. L'invention est une antenne comportant une source rayonnante constituée d'un guide d'onde 1, une extrémité du guide d'onde constituant une ouverture rayonnante. L'extrémité constituant l'ouverture rayonnante est munie d'un bâtonnet en matériau diélectrique, ledit bâtonnet s'enfonçant en partie 2, 3 dans le guide d'onde 1. Le bâtonnet s'étend à l'extérieur du guide d'onde sur une longueur L inférieure à deux fois la longueur d'onde guidée et la section du bâtonnet évolue à l'extérieur du guide d'onde différemment suivant chacun des plans.

Description

Antenne source en guide d'onde à ouverture rayonnante

L'invention se rapporte à une antenne source en guide d'onde à ouverture rayonnante. Ce type de source est combinable avec un réflecteur 5 de type parabolique.

Pour certains type de transmission radio nécessitant des antennes directives, il est connu d'utiliser des antennes à réflecteur, notamment parabolique, avec une source en un point de focalisation. C'est le type d'antenne qui est utilisé entre autre pour des transmissions par satellite qui utilisent les bandes C, Ku ou Ka.

Les antennes à réflecteur sont généralement des disques concaves dont la surface correspond à une portion de parabole de révolution. L'encombrement des réflecteurs circulaires est généralement important. D'un point de vue commercial, l'utilisation d'un réflecteur dont l'ouverture est elliptique peut être plus attrayante qu'un réflecteur dont l'ouverture est circulaire, en particulier lorsque la source est décalée par rapport au point de focalisation du réflecteur. En effet, l'encombrement d'un réflecteur dont l'ouverture est elliptique est visuellement plus compact qu'un réflecteur dont l'ouverture est circulaire. Par ailleurs, pour la réception multisatellite à l'aide d'une seule parabole, il est plus avantageux, en particulier pour minimiser les pertes et distorsions liées à la défocalisation, d'utiliser un réflecteur à ouverture elliptique.

Afin d'illuminer de manière optimale ces réflecteurs elliptiques des sources primaires doivent présenter des ouvertures de diagrammes de rayonnement adaptées à ces réflecteurs elliptiques. En effet, l'efficacité maximum d'une antenne à réflecteur est obtenue lorsque l'illumination du réflecteur par la source donne un gain en bordure du réflecteur compris entre -10et -13 dB. Pour cela, il faut que les deux plans orthogonaux du diagramme de rayonnement présentent des ouvertures bien différentes.

A titre d'exemple pour illuminer un réflecteur elliptique de dimensions H = 50cm, L = 90cm et de focale 52cm à la fréquence de 12GHz, les ouvertures du diagramme de rayonnement de la source primaire doivent être de 28 pour l'éclairement dans le plan vertical (petit axe de l'ellipse) et de 45 pour l'éclairement du plan horizontal (grand axe de l'ellipse) pour un niveau d'illumination sur les bords du réflecteur de -12dB.

Des techniques permettant d'une manière générale d'égaliser ou de dissymétriser les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H de sources d'antennes primaires sont décrites dans Antenna Engineering Handbook de Henri Jasik, Chapitre 15. On peut citer par exemple, l'utilisation de cornets dont l'ouverture est rectangulaire et de cornets multi- modes.

Il serait également possible d'obtenir des éclairements dissymétriques en utilisant des réseaux imprimés, par exemple un réseau de 4 éléments disposés sur un rectangle.

Toutes ces sources primaires présentent des encombrements transversaux relativement importants et ne peuvent pas être utilisées pour la réception multi-satellite de satellites occupant des positions orbitales très proches. De plus, si ces terminaux sont destinés au grand public, les sources primaires complexes sont donc à exclure.

Si on calcule l'encombrement d'une source primaire classique à 12GHz, on obtient un cornet d'un diamètre de 40mm, ou un réseau de patch de 45-50mm de diamètre. A partir de ce dimensionnement, si deux sources indépendantes sont utilisées avec un écart entre satellites de 4 , les centres focaux doivent être distants d'environ 34 mm, ce qui n'est pas envisageable vu les dimensions.

Par ailleurs, un simple guide d'ondes rectangulaire ouvert (sans cornet) dont la section droite est moins encombrante, même s'il possède deux ouvertures de diagrammes de rayonnement différentes, ne présente pas les bonnes ouvertures car pas assez directif.

Il est également connu d'utiliser des bâtonnets diélectriques à onde progressive. Ce type de bâtonnet remplace alors le cornet. Cependant de tels bâtonnets ne sont pas utilisables car pour avoir une ouverture à -12 dB de l'ordre de 45 , il faut une longueur égale à environ trois fois la longueur d'onde et pour avoir une ouverture de l'ordre de 28 il faut une longueur de l'ordre de dix fois la longueur d'onde. Or il n'est pas possible d'avoir un bâtonnet dont la longueur est à la fois égale à trois fois la longueur d'onde et à dix fois la longueur d'onde. Par ailleurs, dix fois la longueur d'onde à une fréquence de 12 GHz correspond à environ 25 cm ce qui, d'une part, est relativement encombrant et, d'autre part, risque de perturber une source voisine de même dimension.

Ainsi, l'utilisation d'une source connue ne permet pas de répondre au contraintes fixées.

L'invention fournit une solution au problème précédemment décrit en proposant une source primaire qui permet d'avoir une illumination asymétrique compatible avec un réflecteur elliptique et ayant un faible encombrement. L'invention utilise un court bâtonnet pour modifier le rayonnement d'une section de guide ouverte.

L'invention est une antenne comportant une source rayonnante constituée d'un guide d'onde de section disposant d'au moins deux plans de symétrie perpendiculaires entre eux, chaque plan s'étendant dans l'axe de propagation des ondes, une extrémité du guide d'onde constituant une ouverture rayonnante. L'extrémité constituant l'ouverture rayonnante est munie d'un bâtonnet en matériau diélectrique, ledit bâtonnet s'enfonçant en partie dans le guide d'onde et remplissant la section du guide d'onde sur une longueur définie. Le bâtonnet s'étend à l'extérieur du guide d'onde sur une longueur inférieure à deux fois la longueur d'onde guidée et en ce que la section du bâtonnet évolue à l'extérieur du guide d'onde différemment suivant chacun des plans.

Préférentiellement, l'évolution de la section du bâtonnet à l'extérieure du guide peut être linéaire mais de direction différente suivant chacun des deux plans. Selon l'un des plans le bâtonnet peut s'élargir et selon l'autre plan le bâtonnet peut rétrécir. Le guide d'onde peut être de section carrée, rectangulaire ou circulaire. L'extrémité du bâtonnet située à l'extérieure du guide d'onde est de section de forme différente de la section du guide.

Les ondes qui circulent dans le guide d'onde peuvent être des ondes polarisées. Lorsque les ondes polarisées sont de polarisation linéaire perpendiculaire à l'axe de propagation des ondes et selon deux directions différentes chacune des directions est comprise dans l'un des deux plans, et la forme du bâtonnet à l'extérieure du guide est symétrique par rapport à chacun des deux plans.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 représente un exemple de source selon l'invention en perspective, la figure 2 représente un exemple de source selon l'invention en coupe partiel selon un premier plan de coupe, la figure 3 représente un exemple de source selon l'invention en coupe partiel selon un deuxième plan de coupe perpendiculaire au premier 5 plan de coupe, la figure 4 représente un exemple de source selon l'invention vu par le réflecteur, la figure 5 montre des courbes de rayonnement selon un premier dimensionnement de l'invention, la figure 6 montre des courbes de rayonnement selon un deuxième dimensionnement de l'invention.

Le principe mis en oeuvre par l'invention consiste à modifier le rayonnement d'un simple guide à l'aide d'un court bâtonnet diélectrique. Le rayonnement d'un guide étant imposé, à fréquence donnée, par la section droite du guide ne peut être adapté à l'éclairement d'un réflecteur elliptique. Le court bâtonnet permet de modifier la distribution du champ dans l'ouverture constituée par le guide muni du bâtonnet. Le diagramme de rayonnement résultant se trouve être modifié sans que le bâtonnet agisse en source à ondes progressives. La distribution des champs dans l'ouverture équivalente se fait de manière à obtenir un diagramme de rayonnement adapté pour illuminer une surface elliptique.

Les figure 1 à 4 représentent selon différentes vues un exemple de réalisation de source selon l'invention. Dans l'exemple décrit, la source est constituée d'un guide d'onde 1, par exemple de section carrée, dont une extrémité constitue une ouverture rayonnante. Le guide d'onde est dimensionné selon une technique connue afin d'avoir une longueur guidée sensiblement égale à la longueur d'onde moyenne à recevoir ou émettre qui est par exemple de 12GHz, la section du guide étant alors 21 mm x 21 mm.

Un bâtonnet diélectrique est placé au niveau de l'ouverture rayonnante. Le bâtonnet est réalisé en matériau diélectrique à faibles pertes et de permittivité relative supérieure à 1. Ce matériau peut être un plastique tel que, par exemple, du polystyrène, du polypropylène ou tout autre matériau diélectrique composite constitué généralement d'une base de matériau plastique allégé, chargé par un matériau à haute permittivité de type céramique, permettant de contrôler la valeur de la permittivité relative du bâtonnet ainsi obtenu.

Le bâtonnet est constitué de trois parties 2 à 4. Une première partie 2 réalise une adaptation d'impédance pour passer du guide vide dans le diélectrique en minimisant les pertes. La première partie 2 est dimensionnée selon des règles connues de propagation d'onde dans un guide en changeant de milieu de propagation. La première partie 2 est généralement constituée d'un tronc de cône dont la section correspond à la section du guide d'onde 1. Une deuxième partie 3 épouse la forme du guide d'onde 1. La deuxième partie 3 sert à maintenir en position le bâtonnet au bout du guide d'onde 1, la longueur de cette deuxième partie 3 assurant le maintient mécanique du bâtonnet. La troisième partie 4 sert à collimater le rayonnement de l'ouverture rayonnante du guide d'onde 1. La troisième partie 4 évolue différemment suivant chacun des deux plans passant d'une part par l'axe de propagation et d'autre part par chacun des axes de symétrie de l'ellipse éclairée.

L'invention réside essentiellement dans la troisième partie 4 du bâtonnet qui détermine le diagramme de rayonnement de la source. La longueur L de cette troisième partie 4 constitue une longueur d'adaptation entre la section du guide et une surface rayonnante 5.

La surface rayonnante 5 est calculée selon une méthode connue de calcul d'ouverture rayonnante équivalente. Les ouvertures rayonnantes peuvent avoir des formes très variées mais pour simplifier les calculs, on peut choisir une surface rayonnante rectangulaire qui permet d'avoir un diagramme de rayonnement quasi-elliptique. Après avoir dimensionner la surface rayonnante 5, la longueur L est déterminée afin d'obtenir une adaptation optimisée pour une longueur minimale, selon une technique connue. Pour simplifier la réalisation du bâtonnet, on utilise une adaptation optimisée linéaire qui évolue différemment suivant chacun des deux plans. A titre d'exemple, pour obtenir un diagramme de rayonnement elliptique ayant une ouverture à -13 dB de 50 selon le grand axe de l'ellipse et de 38 selon le petit axe de l'ellipse, on obtient une surface rayonnante 5 rectangulaire de section a X b = 3 mm x 23 mm. La longueur est ensuite calculée pour passer de la section du guide 1 à la surface rayonnante 5 avec une adaptation optimisée qui fait obtenir la longueur L = 35 mm.

La figure 5 montre le diagramme de rayonnement obtenu par simulation pour ce dimensionnement. L'échelle verticale représente le gain et l'échelle horizontale représente l'angle d'ouverture par rapport au centre du faisceau. La courbe 10 montre le diagramme de rayonnement dans le plan correspondant au grand axe de l'ellipse qui est définit par le coté de largeur b de la surface rayonnante 5. La courbe 11 montre le diagramme de rayonnement dans le plan correspondant au petit axe de l'ellipse qui est définit par le coté de largeur a de la surface rayonnante 5. L'homme du métier peut voir que l'on obtient 48 et 37 . Compte tenu du diagramme de rayonnement souhaité, un tel résultat peut très bien convenir. Toutefois, si l'on désire obtenir un diagramme plus proche de celui souhaité, il est toujours possible d'ajuster les coté a et b de la surface rayonnante 5 et d'avoir recours à des simulations successives pour optimiser ces dimensions.

A titre d'exemple complémentaire, afin de montrer les possibilités offertes avec ce type de source. Un dimensionnement de la surface rayonnante tel que a = 6 mm et b = 36 mm et de la longueur L = 25 mm permet d'obtenir le résultat montré sur la figure 6. L'homme du métier peut voir que les angles d'ouverture deviennent égaux 110 pour le grand axe et 28 pour le petit axe de l'ellipse. Il est possible avec cette technique d'avoir un très grand champ de possibilités.

Suite aux deux dimensionnements réalisés, l'homme du métier peut voir que la longueur L peut être du même ordre que la longueur d'onde guidée. Cette longueur L peut même être inférieure à la longueur d'onde si les différences entre la section du guide 1 et la surface rayonnante 5 le permettent. Il est également possible d'avoir une longueur plus courte si l'on utilise un profil d'adaptation exponentiel au lieu de linéaire mais cela engendre un peut plus de complexité pour la fabrication.

L'exemple préféré peut être utilisé aussi bien avec des ondes non polarisés qu'avec des ondes polarisées. Toutefois, lorsque l'on utilise des ondes à polarisation linéaire, il est nécessaire de s'assurer que les déphasages introduits par le bâtonnet diélectrique sont identiques pour les deux directions orthogonales de polarisation. Cette condition est facilement réalisée car il suffit d'avoir un bâtonnet symétrique selon les plans longitudinaux contenant la direction de propagation des ondes et les directions de polarisation.

Dans le cas d'une polarisation circulaire des ondes, le polariseur doit être dimensionné en tenant compte de la forme extérieure du bâtonnet.

La première partie d'adaptation d'impédance n'est plus conique mais agit en polariseur en introduisant un déphase entre deux composantes orthogonales du champ électrique pour générer la polarisation circulaire. Les dépolarisations éventuelles engendrées par la partie extérieure du bâtonnet doivent également être compensées par le polariseur.

L'exemple préféré montre que le bâtonnet s'élargit d'un côté et se rétrécie sur un autre coté. Il est cependant possible que la surface rayonnante soit telle que le bâtonnet s'élargisse ou rétrécisse simultanément sur ses deux cotés.

L'exemple préféré utilise un guide d'onde de section carré. Il va de soi que n'importe quel profil de guide, par exemple circulaire ou rectangulaire, convient pourvu que le guide d'onde accepte deux plans de symétrie perpendiculaire entre eux. Un intérêt de l'invention est d'avoir une surface rayonnante de forme différente de la section du guide et cela indépendamment de la section du guide.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Antenne comportant une source rayonnante constituée d'un guide d'onde (1) de section disposant d'au moins deux plans de symétrie perpendiculaires entre eux, chaque plan s'étendant dans l'axe de propagation des ondes, une extrémité du guide d'onde constituant une ouverture rayonnante, l'extrémité constituant l'ouverture rayonnante étant munie d'un bâtonnet en matériau diélectrique, ledit bâtonnet s'enfonçant en partie (2, 3) dans le guide d'onde (1) et remplissant la section du guide d'onde 1 sur une longueur définie, caractérisé en ce que une partie (4) du bâtonnet s'étend à l'extérieur du guide d'onde sur une longueur (L) inférieure à deux fois la longueur d'onde guidée et en ce que la section du bâtonnet évolue à l'extérieur du guide d'onde différemment suivant chacun des plans.

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'évolution de la section du bâtonnet à l'extérieure du guide est linéaire mais de direction différente suivant chacun des deux plans.

3. Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2,

caractérisée en ce que selon l'un des plans le bâtonnet s'élargit et selon l'autre plan le bâtonnet rétrécit.

4. Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le guide d'onde est de section carrée, rectangulaire 25 ou circulaire.

5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'extrémité (5) du bâtonnet située à l'extérieure du guide d'onde (1) est de section de forme différente de la section du guide.

6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que la section du guide (1) est carrée et la section de l'extrémité (5) du bâtonnet située à l'extérieur du guide est rectangulaire.

7. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la partie (2, 3) du bâtonnet située à l'intérieur du guide se termine par une zone (2) d'adaptation d'impédance constituée d'un tronc de cône ayant la même section que le guide.

8. Antenne selon l'une des revendications 1 à 7,

caractérisé en ce que les ondes qui circulent dans le guide d'onde sont des ondes polarisées.

9. Antenne selon la revendication 8, caractérisé en ce que les ondes polarisées sont de polarisations linéaires perpendiculaires à l'axe de propagation des ondes et selon deux directions différentes chacune des directions étant comprise dans l'un des deux plans, et en ce que la forme du bâtonnet à l'extérieure du guide est symétrique par rapport à chacun des deux plans.

10. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bâtonnet s'étend à l'extérieure du guide sur une longueur inférieure à la longueur d'onde.