Les aériens à grand gain

Résumé

Les transmissions spatiales à très grande distance supposent l’utilisation d’antennes de gain très élevé. La surface d’un aérien (ou, pour un aérien à rayonnement longitudinal, sa longueur) étant proportionnelle au gain, on ne peut obtenir de très grandes valeurs de gain que du côté terrestre de la transmission. Ce sont ces aériens terrestres qui font l’objet de la communication.

Après avoir rappelé les expressions qui relient le gain à la largeur angulaire du diagramme, nous donnons, pour les aériens à rayonnement longitudinal et pour les aériens à ouverture rayonnante, les relations entre gain et dimensions, qui font apparaître l’intérêt de ce dernier type. En particulier, l’antenne à réflecteur parabolique circulaire, par sa simplicité et son indépendance relative — vis à vis de la fréquence, semble devoir être retenue.

Nous rappelons les relations fondamentales simples de ce type d’aérien, pour lequel nous calculons le gain maximum possible, en fonction des tolérances de fabrication acceptables. Un gain de 65 dB environ paraît, en conséquence, être à la limite des possibilités, pour les ondes centimétriques. L’exigence relative à la précision de fabrication (le dixième de la longueur d’onde) correspond d’ailleurs à la règle de Lord Rayleigh pour les miroirs de télescopes.

Une dernière question est rapidement évoquée, il s’agit de la température de bruit de l’aérien. Les amplificateurs modernes à très faible facteur de bruit mettent à l’ordre du jour les recherches relatives aux antennes à basse température de bruit. Cette caractéristique est liée au niveau des lobes secondaires et du rayonnement diffus, qui fait l’objet de recherches auxquelles on commence seulement à faire allusion.

Enfin un tableau récapitule quelques réalisations actuelles, dont plusieurs sont utilisées conjointement pour la radioastronomie et les liaisons spatiales.

Zusammenfassung

Räumliche Signalübertragungen auf sehr große Entfernungen setzen Antennen mit einem sehr hohen Gewinnfaktor voraus. Da der Gewinnfaktor einer Antenne deren Oberfläche (oder bei Antennen mit Abstrahlung in Längsrichtung deren Länge) proportional ist, kann man einen hohen Antennengewinn nur auf der Bodenseite eines räumlichen Übertragungssystems erzielen. Solche bodenseitigen Antennen bilden den Gegenstand der vorliegenden Mitteilung.

Nach einem kurzen Überblick über die Beziehungen, welche den Antennengewinn mit der Winkelöffnung des Antennendiagramms verknüpfen, werden für Antennen mit longitudinaler Abstrahlung und für solche mit strahlender Fläche die Zusammenhänge zwischen Abmessungen und Antennengewinn wiedergegeben. Aus diesen geht die große Bedeutung des letzteren Antennentyps hervor. Insbesondere ist die Antenne mit kreisrundem parabolischem Reflektor infolge ihrer Einfachheit und ihrer relativ großen Frequenzunabhängigkeit beachtenswert.

Es werden die einfachen grundsätzlichen Beziehungen für diesen Antennentyp wiedergegeben, mit welchen dann der höchstmögliche Gewinn in Abhängigkeit von tragbaren Fertigungstoleranzen berechnet wird. Ein Gewinnfaktor von etwa 65 dB erscheint für cm-Wellen an der Grenze des Möglichen zu liegen. Die Anforderung an die Genauigkeit der Fertigung (zulässige Toleranz etwa 1/10 der Wellenlänge) entspricht im übrigen etwa der von Lord Rayleigh für Spiegelteleskope gegebenen Regel.

Eine weitere Frage wird gestreift, nämlich die dem Antennenrauschen entsprechende Temperatur. Moderne Verstärker mit ihrem sehr niedrigen Rauschpegel haben die Erforschung von Antennen mit niedriger Rausch-Temperatur in den Vordergrund gerückt. Die Rauscheigenschaften einer Antenne sind aufs engste mit der Größe unerwünschter Nebenkeulen im Strahlungsdiagramm und dem Anteil einer diffusen Abstrahlung verknüpft. Dem Einfluß solcher Rauschquellen beginnt man jetzt erhöhte Aufmerksamkeit zu schenken.

Eine, Tafel am Schluß stellt die Daten verschiedener ausgeführter Antennen zusammen, von welchen einige sowohl für die Radioastronomie als auch für räumliche Nachrichtenverbindungen benützt werden.

Abstract

The use of very high gain antennas is assumed for long distance space transmissions. Its surface (or, for an end-fire antenna, its length) being proportional to gain, one can only obtain very high gain values from the terrestrial end of the transmission. These are terrestrial antennas which are the object of the communication.

After having recalled the expressions that connect the gain to the angular width of the diagram, we give (for antennas of the end-fire type and for radiating aperture antennas), the relations between gain and dimensions that generate interest in the latter. In particular, the circular parabolic reflector type antenna, by its simplicity and its relative independence vis à vis frequency, apparently should be retained.

We recall the simple fundamental relations of this type of antenna, for which we calculate the maximum possible gain as a function of acceptable manufacturing tolerances. A gain of approximately 65 dB appears consequently to be at the limit of possibilities for wavelengths measured in centimeters. The relative demands on manufacturing precision (tenth of a wavelength) corresponds moreover to Lord Rayleigh’s rule for telescopic mirrors.

A last question is quickly evoked, concerning the antenna noise temperature. Modern low noise factor amplifiers bring to the forefront research concerning low noise temperature antennas. This characteristic is tied to the level of secondary diffuse radiating lobes which are the subject of research about which mention is beginning to be made.

Finally, a table recapitulates some current results, some of which are utilized jointly by radio astronomy and space communications.