Antenne parabolique

Antenne parabolique
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Une antenne parabolique, communément appelée parabole par le grand public, est une antenne disposant d'un réflecteur paraboloïdal, basé sur les propriétés géométriques de la courbe nommée parabole et de la surface nommée paraboloïde de révolution. Cette antenne qualifiée d'universelle puisqu'elle fonctionne en théorie sur n'importe quelle fréquence ou longueur d'onde, est cependant seulement employée à partir de la bande L dès 1,1 GHz et lorsqu'un gain d'antenne élevé est recherché. On estime que l'intérêt d'un réflecteur parabolique ne se fait sentir qu'à partir d'un diamètre supérieur à 4 fois la longueur d'onde du signal à transmettre. Sauf exception, les radioamateurs utilisent ce type d'antenne surtout au-dessus de 430 MHz, avec des paraboles qui dépassent par conséquent les 3 mètres de diamètre.

Sommaire

Le réflecteur

Le réflecteur parabolique est chargé de concentrer les ondes reçues ou émises (radar, télévision, ISM et Wi-Fi, radio-amateurisme, faisceaux hertziens, ou ondes émises par les astres en radioastronomie) vers l'antenne-source, qui se situe au foyer de la parabole. Les antennes paraboliques de petit diamètre sont fabriquées en tôle emboutie (acier ou aluminium). Pour les antennes de grand diamètre, les réflecteurs sont parfois réalisés en grillage, ce qui a pour effet de diminuer la prise au vent. Le réflecteur ne doit pas comporter des creux ou des bosses d'une amplitude supérieure à 5 % de la longueur d'onde, qui pour mémoire, est de 2,5 cm en TV sat et 12,5 cm en 2,4 GHz.

La source

Le câble d'alimentation de l'antenne est relié à une antenne-source, communément appelée simplement « source » qui est placée au foyer du réflecteur parabolique. Le but de la source est d’« éclairer » entièrement la surface du réflecteur.

Antenne parabolique, montage prime-focus

Dans les antennes prime-focus (foyer primaire), le réflecteur est circulaire et la source est placée dans l'axe du lobe de l'antenne. Cette disposition fait que la source constitue un écran pour les ondes et le rendement, donc le gain global de l'antenne est diminué. Ce type de montage est utilisé de préférence pour les réflecteurs de diamètres supérieurs à deux mètres, l'ombre de la source et des bras supports étant relativement négligeable.

Antenne parabolique, montage Offset

Pour éviter l'inconvénient du montage prime-focus, il est courant de décentrer la source, le réflecteur est alors une portion de paraboloïde au contour elliptique : on parle alors de « parabole offset ». Le rendement est amélioré nettement, surtout pour les petites antennes comme celles qui sont utilisées par le grand public pour la réception de la télévision par satellite. Autre avantage : le réflecteur peut conserver une position quasi verticale même pour les satellites placés assez haut dans le ciel.

Antenne parabolique, montage Cassegrain

Pour rendre plus compacte une antenne de grande focale, on utilise le montage de type Cassegrain commun dans les télescopes. Le réflecteur secondaire peut être plan ou hyperbolique.

Le montage appelé « parabole grégorienne » ( dite aussi de Grégory, nom de l'inventeur) est un montage « offset » utilisant un réflecteur secondaire comme le montage « Cassegrain ». Ce sub-réflecteur présente sa face concave côte réflecteur, alors qu'en Cassegrain nous avions la face utile en convexe.On peut obtenir, dès lors en cassegrain et en grégorien, des rendements de l'ordre d'un peu plus de 80 % , mais surtout un directivité accrue. Avec les antennes classiques basiques le rendement tourne autour de 60~65 % mais peut atteindre 72 % sur du foyer décalé( offset).

Exemple : une antenne grand public d'un diamètre standard et habituel de 60 cm ( 65x60 cm angle d'offset de 22,7 °) pour la réception de la TV par satellite, possedant un rendement de 69 %, procure un gain théorique de 36,8 dBi à 12.75 GHz. L'angle d'ouverture, < 3°( 2x1,5°), est compatible avec l'espacement orbital actif au pas de 3° en général.

Diagramme d'émission

diagramme d'émission d'un antenne typique

La taille de la surface formant un "réflecteur parabolique" est relativement petite en général devant la longueur d'onde du signal émis et il n'est alors pas possible de négliger les phénomènes de diffraction. Chaque point de la surface du "réflecteur" va rayonner comme une source ponctuelle, et le champ total émis en un point est la somme cohérente de tous les champs infinitésimaux. Tout se passe comme dans le cas de la diffraction d'une onde par une ouverture. Quel que soit donc le type d'antenne parabolique, le diagramme d'émission comporte un lobe principal dans la direction d'émission et des lobes secondaires tout autour de la sphère centrée sur l'antenne et qu'on tente de minimiser.

Prenons une petite portion de l'antenne parabolique ayant plus ou moins la forme d'un rectangle de dimensions l\ par\ L. La théorie de la diffraction montre que l'amplitude de l'onde émise dans une direction repérée par les angles \, \theta (angle azimutal horizontal ou gisement) et \, \phi (angle d'élévation ou de site) à une distance r de l'antenne suffisamment grande pour que l'approximation de Fraunhoffer soit vérifée, vaut (sinc est la fonction sinus cardinal) :

E(r,\theta, \phi)=E_0.\frac{Ll}{\lambda.r}.sinc\left( \pi \frac{L}{\lambda}.sin(\phi).cos(\theta)\right) sinc \left( \pi \frac{l}{\lambda}.sin(\theta)\right)

On considère en général la largeur du faisceau comme l'angle sous-tendu entre chaque côté du lobe principal où la valeur de l'intensité du signal ne descend pas sous 0,5 la valeur de celle du pic, soit -3 dB dans échelle logarithmique (en décibel ou dB). En résolvant avec cette valeur l'équation, on obtient :

R_\phi \approx 0,886\frac{\lambda}{L} \qquad et\ \qquad R_\theta \approx 0,886\frac{\lambda}{l}

Selon le type d'antenne, on doit ajouter plusieurs portions rectangulaires pour obtenir la formule d'émission pour l'antenne finale. Un cas particulier mais très fréquent est celui de l'antenne qui forme une parabole complète de diamètre D[1]. Dans ce cas, la résolution R (ou \, \Theta) devient (en degrés):

\Theta \approx 70\frac{\lambda}{D}

Le diagramme de ci-dessus donne l'allure de l'évolution de la puissance de l'onde, normalisée par rapport à la puissance maximale émise, en fonction du site et du gisement d'une telle antenne parabolique. On voit apparaître le lobe principal où la plupart de l'énergie émise ou reçu se trouve. On le défini comme le faisceau d'émission ou de réception de l'antenne.

On voit que pour réduire l'ouverture angulaire de l'antenne, il y a deux méthodes :

  • soit augmenter la taille de l'antenne
  • soit diminuer la longueur d'onde / monter en fréquence.

Applications

Télévision par satellite

Dans les « paraboles » utilisées pour la réception de la télévision par satellite, la source est directement reliée à un élément de récepteur, la tête (LNB), qui est en fait un convertisseur de fréquence à faible bruit. Le signal reçu, dont la fréquence est de l'ordre de 11 ou 12 GHz, est transposé sur une gamme de fréquence aux environs de 950 à 2 150 MHz pour aboutir au récepteur de télévision. Si un seul satellite (ou constellation de satellites) est capté, ou dans le cas d'une antenne motorisée, une seule tête est utilisée. Si un second satellite (ou une seconde position orbitale) est désiré, le système utilise alors le foyer parasite, décalé de 7 cm environ (mais dépend du diamètre de la longueur de la focale) par rapport à l'axe d'une parabole de 80 cm. Cet artifice validé permet de capter deux satellites séparés de 6 ° (Hot-Bird 13 °E et Astra 19 °E, par exemple) avec un seul réflecteur, les deux foyers alimentant deux têtes ou une tête monobloc bisatellite. Des paraboles à multi-foyer sont disponibles, couvrant un segment orbital allant de 28 °Est (Astra 2) à 5 °Ouest (Atlantic Bird 3).

Pour une fréquence donnée, le gain de l'antenne augmente avec l'accroissement du diamètre de la parabole tandis que l'angle d'ouverture diminue.

Pour les fréquences inférieures à 1 GHz, les antennes paraboliques, plus encombrantes, sont généralement remplacées par des antennes Yagi, antennes quad, etc., mais dans des cas délicats rencontrés en TV-UHF, la parabole est parfois préférée au « râteau ».

Alternatives

Une antenne toroïdale.
  • une antenne ellipsoïdale peut servir à capter deux ou trois satellites
  • une antenne toroïdale utilise deux réflecteurs (l'un en face de l'autre) pour que les ondes convergent en une ligne au lieu d'un point unique ; ce qui permet la réception de plusieurs satellites en un arc allant jusqu'à 40 °

Notes

Voir aussi

Articles connexes


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