Antenne parabolique

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.

Les différents types de montages de la source d'une antenne parabolique

Le signal à émettre est produit par le transmetteur, un appareil comportant un oscillateur local dont l'onde sera modulée puis amplifiée. Ce dernier est relié à l'antenne par un guide d'ondes ou un câble coaxial relié à un cornet d'alimentation, communément appelée simplement « source », placé au foyer du réflecteur parabolique. Le but de la source est d’« éclairer » entièrement la surface du réflecteur avec le signal à émettre[3].

Dans le cas des antennes réceptrices, le signal fait le trajet inverse de l'antenne au cornet d'alimentation (appelé également « source ») puis dans le guide d'ondes vers cette fois le récepteur. Ce dernier filtre les ondes radioélectriques reçues pour en extraire les informations qui y ont été incorporées lors de leurs émissions : sons ou signaux numériques.

Il existe quatre types d'antennes paraboliques : les antennes avec source centrée, les antennes avec source décalée, les antennes Cassegrain et Grégorienne. Avec les antennes classiques de base le rendement tourne autour de 60~65 % mais peut atteindre 72 % sur du foyer décalé. Avec les antennes Cassegrain et grégorienne, il est possible d’obtenir des rendements de l'ordre d'un peu plus de 80 %. Exemple : une antenne grand public d'un diamètre standard et habituel de 60 cm (65 × 60 cm et angle de décalage de 22,7°) pour la réception de la TV par satellite et possédant 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 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 ${\displaystyle l{\text{ par }}L}$. La théorie de la diffraction montre que l'amplitude de l'onde émise dans une direction repérée par les angles ${\displaystyle \,\theta }$ (angle azimutal horizontal ou gisement) et ${\displaystyle \,\phi }$ (angle d'élévation ou de site) à une distance ${\displaystyle r}$ de l'antenne suffisamment grande pour que l'approximation de Fraunhofer soit vérifée, vaut (${\displaystyle \operatorname {sinc} }$ est la fonction sinus cardinal) :

${\displaystyle E(r,\theta ,\phi )=E_{0}.{\frac {Ll}{\lambda .r}}.\operatorname {sinc} \left(\pi {\frac {L}{\lambda }}.\sin(\phi ).\cos(\theta )\right)\operatorname {sinc} \left(\pi {\frac {l}{\lambda }}.\sin(\theta )\right)}$

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 :

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

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[6]. Dans ce cas, la résolution R (ou ${\displaystyle \,\Theta }$) devient (en degrés) :

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

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 définit 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.

Faisceau plat

Vue frontale et latérale du rayonnement.

Parabole complète (en rouge) et tronquée (en vert).

Un cas particulier de rayonnement d'une antenne parabolique est celui du faisceau plat, ou en éventail, très mince selon un axe et très large dans l’autre. Comme vu ci-dessus, une antenne parabolique donne un faisceau très concentré dans une direction avec ${\displaystyle \scriptstyle \phi =\theta }$. En tronquant une partie de la parabole comme sur la figure de gauche, le faisceau reste concentré dans la direction perpendiculaire et s'élargit dans celle de la partie manquante. En ne gardant qu'un secteur, il est possible d'obtenir un faisceau très mince dans une direction et très large dans l'autre comme à droite[7].

Ce genre d’antenne est utilisé dans certains radars primaires d'aéroport. L'axe du paraboloïde est alors comme dans l'image de droite. Ceci permet de déterminer avec précision la direction et la distance des aéronefs mais pas son altitude. Pour cela, un radar de site utilisant le même principe est utilisé. Comme l’axe nécessaire pour la section mince du faisceau doit être à l’horizontale dans ce cas, l’axe du paraboloïde tronqué sera dans la verticale (tourné de 90° par rapport au cas précédent)[7].

• Télécommunications & transmissions professionnelles terrestres (faisceaux hertziens)
• Liaisons entre la Terre et les satellites
• Radars
• Radiodiffusion par satellite, MMDS, pour le grand public
• Radio-amateurisme, Wi-Fi, ISM
• Radioastronomie

Une antenne toroïdale.

• Antenne ellipsoïdale peut servir à capter deux ou trois satellites.
• 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°.