Antenne parabolique

Une antenne parabolique, couramment nommée parabole par le grand public, est une antenne disposant d'un réflecteur paraboloïdal, basé sur les propriétés géométriques de la courbe appelée parabole et de la surface appelée paraboloïde de révolution.



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Antenne - Composant électrique - Électrotechnique - Réception de la télévision satellitaire

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Une antenne parabolique, couramment nommée parabole par le grand public, est une antenne disposant d'un réflecteur paraboloïdal, basé sur les propriétés géométriques de la courbe appelée parabole et de la surface appelée paraboloïde de révolution. Cette antenne qualifiée d'universelle dans la mesure où elle fonctionne en principe sur n'importe quelle fréquence ou longueur d'onde, est cependant uniquement employée à partir de la bande L dès 1, 1 GHz et quand 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 en particulier au-dessus de 430 MHz, avec des paraboles qui dépassent donc les 3 mètres de diamètre.

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 quelquefois 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, couramment nommée simplement «source» qui est positionnée au foyer du réflecteur parabolique. L'objectif 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 positionnée dans l'axe du lobe de l'antenne. Cette disposition fait que la source forme un écran pour les ondes et le rendement, par conséquent le gain global de l'antenne est diminué. Ce type de montage est utilisé plutôt pour les réflecteurs de diamètres supérieurs à deux mètres, l'ombre de la source et des bras supports étant assez 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 perfectionné nettement, en particulier 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 positionnés 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 nommé «parabole grégorienne» (dite aussi de Grégory, non de l'inventeur) est un montage «offset» utilisant un réflecteur secondaire comme le montage «Cassegrain». Ce sub-réflecteur présente sa face concave côte réflecteur, tandis qu'en Cassegrain nous avions la face utile en convexe. On peut obtenir, par conséquent en cassegrain et en grégorien, des rendements de l'ordre d'un peu plus de 80 %, mais en particulier un directivité accrue. Avec les antennes classiques basiques le rendement tourne autour de 60/65 % mais passe autour de 72 % sur du foyer décalé (offset).

Exemple : une antenne grand public d'un diametre standard de 60 cm (66 x 60cm) pour la TV par satellite, possedant un rendement de 72 %, procure un gain de 36.6 dBi à 12.75 GHz.

Patron d'émission

Patron d'émission d'un antenne typique

La taille de la surface formant un "réflecteur parabolique" est assez petite généralement devant la longueur d'onde du signal émis et il n'est alors pas envisageable 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 l'ensemble des champs illimitétésimaux. Tout se passe comme dans le cas de la diffraction d'une onde par une ouverture. Quel que soit par conséquent le type d'antenne parabolique, le patron 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_0rac{Ll}{\lambda.r}.sinc\left( \pi \frac{L}{\lambda}.sin(\phi)Às(\theta)\right) sinc \left(  \pi \frac{l}{\lambda}.sin(\theta)\right)

On considère généralement 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 spécifique mais particulièrement habituel est celui de l'antenne qui forme une parabole complète de diamètre D[1]. Dans ce cas, la résolution R (ou \, \Theta) devient :

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

Le diagramme de ci-dessus donne l'allure de l'évolution de la puissance de l'onde, normalisée comparé à la puissance maximale émise, selon le site et du gisement d'une telle antenne parabolique. On voit naitre le lobe principal où la majorité 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 diminuer l'ouverture angulaire de l'antenne, il y a deux méthodes :

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 dispositif utilise alors le foyer parasite, décalé de 7 cm à peu près (mais dépend du diamètre de la longueur de la focale) comparé à l'axe d'une parabole de 80 cm. Cet artifice validé sert à capter deux satellites scindés 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 alors que l'angle d'ouverture diminue.

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

Alternatives

Une antenne toroïdale.

Notes

  1. (en) Ginzburg, Vera Dr. Sc : About possibility the vector's parabolic anntena DP to improve radar resolution[pdf]

Voir aussi

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