EP1445829A1 - Reflecteur secondaire pour antenne hyperfrequence de type cassegrain - Google Patents

Reflecteur secondaire pour antenne hyperfrequence de type cassegrain Download PDF

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EP1445829A1
EP1445829A1 EP04290225A EP04290225A EP1445829A1 EP 1445829 A1 EP1445829 A1 EP 1445829A1 EP 04290225 A EP04290225 A EP 04290225A EP 04290225 A EP04290225 A EP 04290225A EP 1445829 A1 EP1445829 A1 EP 1445829A1
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EP
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reflector
ring
antenna
radiation
diameter
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Armel Le Bayon
Michael Greiff
Denis Tuau
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Alcatel Lucent SAS
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Alcatel CIT SA
Alcatel SA
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/02Details
    • H01Q19/021Means for reducing undesirable effects
    • H01Q19/026Means for reducing undesirable effects for reducing the primary feed spill-over
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/18Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces
    • H01Q19/19Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces comprising one main concave reflecting surface associated with an auxiliary reflecting surface

Definitions

  • the present invention relates to reflectors which are used in antennas Cassegrain type microwave. These antennas have first used in radars and are now widely used in communication systems by satellite, especially in stations individual terrestrial.
  • microwave antennas of the type Cassegrain in which a microwave source placed in the axis of a main parabolic reflector illuminates a secondary reflector located substantially at the focus of this main reflector.
  • the wave microwave comes to reflect on this reflector secondary to then illuminate the main reflector which allows to obtain a radiation diagram having the shaped like a narrow beam. The operation is good heard reverse in reception.
  • a "source" known microwave of such an antenna includes a circular waveguide 101 through which the wave arrives microwave.
  • a hollow dielectric cone 102 is attached on one side to this guide and supports on the other side a secondary reflector 103.
  • the relatively complex of the surface of this reflector corresponds to the state of the art known to limit disadvantages mentioned above, in particular the overflow radiation.
  • the invention proposes a secondary reflector for microwave antenna type Cassegrain with a basic secondary reflector, which includes a first circular "ring" having the shape of a cylinder of conductive material, diameter equal to the outer diameter of the base reflector, fixed by one of its ends at the outer edge of this base reflector to project from the side of the reflective surface of the reflector and having a height H to reduce the "overflow radiation" of the secondary reflector.
  • the invention is characterized in that the reflector further includes a second "ring" having the shape of a circular crown of conductive material, inner diameter equal to the diameter of the first ring, attached to the free end of this first ring and having a width h to increase the decrease in said overflow radiation.
  • the values of parameters H and h are of the order of a quarter of the length medium wave for which the antenna is dimensioned.
  • the first and the second rings are made in the form of a ring single solid with height H 'and thickness h ', and the reflector comprises a material cone solid dielectric which connects the waveguide intended for feed the antenna to the base reflector to allow to decrease the values of the parameters H 'and h' by relation to the values of parameters H and h.
  • the free end of the single solid ring is machined so that present a recess which reduces its thickness on its outer circumference to increase the decrease of said overflow radiation.
  • the microwave source according to a first mode of realization of the invention shown in section on the Figures 2 and 3, includes the same elements 101 to 103 as the source according to known art represented in FIG. 1.
  • the invention proposes adding to the reflector basic secondary 103 a first circular "ring" 104 which has the shape of a cylinder of height H and of diameter equal to the outside diameter of the reflector 103.
  • This ring is made of conductive material, preferably a metal which can be identical to that forming the secondary reflector 103. It is fixed by one of its ends at the outer edge of this reflector, so that it projects from the side of the reflective surface of the reflector, in the direction of the waveguide 101.
  • the effect of this ring is basically to mask the radiation of overflow to redirect it to the useful surface of the main reflector. This gives an increase antenna performance which allows for efficiency identical, to substantially decrease the diameter of the secondary reflector, and therefore the diameter of the reflector main.
  • An improved variant of the invention proposes add a second ring 105 which has the shape a circular crown, also made of material conductor, of width h and internal diameter equal to diameter of the first ring. This crown is fixed to the free end of the first ring.
  • Edge 105 is used when the effect of edge 104 is not enough. Indeed, if we seek to increase the size of the edge 104 too much (i.e. greater than a quarter of the wavelength) to improve a certain part of the diagram we risk deteriorating another region of the radiation pattern. Edge 105 improves diagrams without having this drawback.
  • the dimensions H and h are of the order of a quarter of the average wavelength for which the antenna is sized. Given the very variable forms, known in the art, according to which the secondary reflector 103, the exact dimensions of these parameters will be determined by those skilled in the art to using a few simple tests starting from this approximate dimension of a quarter of the wavelength. Given the simple geometric shapes used by the invention (cylinder and circular crown) these tests will require no special effort.
  • the cone 402 which supports the secondary reflector 103 is made of a material full dielectric which has the effect of reducing the wavelength inside this cone.
  • the tip of the cone gets inside the circular waveguide 401, for purely reasons mechanical.
  • the invention proposes to carry out the cylinder / crown assembly of the first mode of production in the form of a single solid ring 404 having a height H 'and a thickness h'.
  • the free end of this ring, the one facing the main reflector is machined so as to have a recess 405 which reduces the thickness of the ring around its circumference exterior.
  • FIG. 5 the diagrams of radiation 501 from a known antenna, and 502 from a antenna according to the invention.
  • the diagram of the antenna according to the invention is clearly improved, especially in the region corresponding to incidences above 30 °.
  • the invention allows, by reducing the dimensions of the main reflector, to reduce the impact visual of such antennas, which allows them to be integrated more easily in the landscape.

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Abstract

L'invention concerne les réflecteurs secondaires pour antenne hyperfréquence de type Cassegrain. Elle consiste à munir le réflecteur secondaire de base (103) de cette antenne d'un premier anneau circulaire (104) présentant la forme d'un cylindre dirigé vers le réflecteur principal, et d'un deuxième anneau (105) présentant la forme d'une couronne circulaire fixée à l'extrémité du cylindre et se projetant à l'extérieur de celui-ci. Ces anneaux sont en matériau conducteur. La longueur du cylindre et la largeur de la couronne sont de l'ordre du quart de la longueur d'onde moyenne pour laquelle l'antenne est dimensionnée. Elle permet de diminuer considérablement le "rayonnement de débordement" du réflecteur secondaire et donc à performances égales de réduire considérablement les dimensions de l'antenne. <IMAGE>

Description

La présente invention se rapporte aux réflecteurs secondaires qui sont utilisés dans les antennes hyperfréquences de type Cassegrain. Ces antennes ont d'abord été utilisées dans les radars et sont maintenant largement répandues dans les systèmes de communication par satellite, tout particulièrement dans les stations individuelles terrestres.
On connaít les antennes hyperfréquences de type Cassegrain dans lesquelles une source hyperfréquence placée dans l'axe d'un réflecteur principal parabolique vient illuminer un réflecteur secondaire situé sensiblement au foyer de ce réflecteur principal. L'onde hyperfréquence vient se réfléchir sur ce réflecteur secondaire pour illuminer ensuite le réflecteur principal qui permet d'obtenir un diagramme de rayonnement ayant la forme d'un faisceau étroit. Le fonctionnement est bien entendu inverse en réception.
La présence de réflecteur secondaire entraíne un certain nombre d'effets indésirables.
L'un de ces effets est de masquer une partie de la surface du réflecteur principal, ce qui diminue l'efficacité de celui-ci.
Un autre de ces effets est une perte d'une partie du rayonnement réfléchi par le réflecteur secondaire à l'extérieur de la surface du réflecteur principal. Ce "rayonnement de débordement", connu aussi sous le terme anglo-saxon de "spillover" s'échappe en pure perte vers l'arrière de l'antenne.
De gros efforts ont été faits pour réduire ces effets indésirables en modifiant la surface réflectrice du réflecteur secondaire par rapport à la forme initialement hyperbolique qui était celle du télescope optique de Cassegrain dont est issu ce type d'antenne hyperfréquence.
Comme représenté sur la figure 1, une "source" hyperfréquence connue d'une telle antenne comprend un guide d'onde circulaire 101 par lequel arrive l'onde hyperfréquence. Un cône diélectrique creux 102 est attaché d'un côté sur ce guide et supporte de l'autre côté un réflecteur secondaire 103. La forme relativement complexe de la surface de ce réflecteur correspond à l'état de l'art connu pour permettre de limiter les inconvénients cités ci-dessus, en particulier le rayonnement de débordement.
Même dans ce cas les dimensions du réflecteur secondaire, et donc son effet de masquage, demeurent importantes. Ceci nécessite d'augmenter en conséquence les dimensions du réflecteur principal pour obtenir les caractéristiques de gain et de directivité souhaitées.
En outre le rayonnement de débordement qui subsiste quand même, aussi léger qu'il soit, diminue les performances de l'antenne et nécessite lui aussi une augmentation corrélative des dimensions du réflecteur principal.
Or il est de plus en plus nécessaire, principalement pour des raisons d'effet visuel, de limiter la taille des antennes de ce type, ce qui nécessite d'augmenter les performances du réflecteur secondaire et de diminuer sa taille.
Pour obtenir ces effets, l'invention propose un réflecteur secondaire pour antenne hyperfréquence de type Cassegrain comportant un réflecteur secondaire de base, qui comprend un premier "anneau" circulaire présentant la forme d'un cylindre en matériau conducteur, de diamètre égal au diamètre extérieur du réflecteur de base, fixé par l'une de ses extrémités au bord extérieur de ce réflecteur de base pour faire saillie du côté de la surface réfléchissante du réflecteur et ayant une hauteur H pour diminuer le "rayonnement de débordement" du réflecteur secondaire.
L'invention est caractérisé en ce que le réflecteur comprend en outre un deuxième "anneau" présentant la forme d'une couronne circulaire en matériau conducteur, de diamètre intérieur égal au diamètre du premier anneau, fixée à l'extrémité libre de ce premier anneau et ayant une largeur h pour augmenter la diminution dudit rayonnement de débordement.
Selon une autre caractéristique, les valeurs des paramètres H et h sont de l'ordre du quart de la longueur d'onde moyenne pour laquelle l'antenne est dimensionnée.
Selon une autre caractéristique, le premier et le deuxième anneaux sont réalisés sous la forme d'un anneau unique plein présentant une hauteur H' et une épaisseur h', et le réflecteur comprend un cône en matériau diélectrique plein qui relie le guide d'onde destiné à alimenter l'antenne au réflecteur de base pour permettre de diminuer les valeurs des paramètres H' et h' par rapport aux valeurs des paramètres H et h.
Selon une autre caractéristique, l'extrémité libre de l'anneau unique plein est usinée de manière à présenter un décrochement qui réduit son épaisseur sur sa circonférence extérieure pour augmenter la diminution dudit rayonnement de débordement.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaítront clairement dans la description suivante, faite en regard des figures annexées qui représentent :
  • la figure 1, une vue en coupe d'une source hyperfréquence comportant un réflecteur secondaire selon l'art connu;
  • la figure 2, une vue en coupe d'une source hyperfréquence comportant un réflecteur secondaire selon l'invention;
  • la figure 3, une vue élargie d'un détail significatif de la figure 2;
  • la figure 4, une vue en coupe d'une source hyperfréquence selon une variante de l'invention ; et
  • la figure 5, deux diagrammes de rayonnement superposés correspondant respectivement aux sources des figures 1 et 2.
La source hyperfréquence selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté en coupe sur les figures 2 et 3, comprend les mêmes éléments 101 à 103 que la source selon l'art connu représentée sur la figure 1.
L'invention propose de rajouter au réflecteur secondaire de base 103 un premier "anneau" circulaire 104 qui présente la forme d'un cylindre de hauteur H et de diamètre égal au diamètre extérieur du réflecteur 103. Cet anneau est réalisé en matériau conducteur, de préférence un métal qui peut être identique à celui formant le réflecteur secondaire 103. Il est fixé par l'une de ses extrémités au bord extérieur de ce réflecteur, de telle manière qu'il fasse saillie du côté de la surface réfléchissante du réflecteur, dans la direction donc du guide d'onde 101. L'effet de cet anneau est essentiellement de masquer le rayonnement de débordement pour le rediriger vers la surface utile du réflecteur principal. On obtient ainsi une augmentation du rendement de l'antenne qui permet, pour une efficacité identique, de diminuer substantiellement le diamètre du réflecteur secondaire, et donc le diamètre du réflecteur principal. Pour faciliter la lecture des dessins, les sources des figures 1 et 2 ont été représentées de mêmes dimensions et il faut comprendre que la source de la figure 2 est représentée à plus grande échelle dans le cas d'une efficacité identique. Si les sources sont physiquement de même taille, l'efficacité de l'antenne utilisant la source de la figure 2 sera plus grande.
Une variante améliorée de l'invention propose de rajouter un deuxième anneau 105 qui présente la forme d'une couronne circulaire, elle aussi en matériau conducteur, de largeur h et de diamètre intérieur égal au diamètre du premier anneau. Cette couronne est fixée à l'extrémité libre du premier anneau.
Le bord 105 est employé lorsque que l'effet du bord 104 ne suffit pas. En effet, si l'on cherche à augmenter trop la taille du bord 104 (c'est à dire supérieur au quart de la longueur d'onde) pour améliorer une certaine partie du diagramme on risque de détériorer une autre région du diagramme de rayonnement. Le bord 105 améliore les diagrammes sans avoir cet inconvénient.
Les dimensions H et h sont de l'ordre du quart de la longueur d'onde moyenne pour laquelle l'antenne est dimensionnée. Compte tenu des formes très variables, connues dans l'art, selon lesquelles peut être réalisé le réflecteur secondaire 103, les dimensions exactes de ces paramètres seront déterminées par l'homme de l'art à l'aide de quelques essais simples en partant de cette dimension approximative du quart de la longueur d'onde. Compte tenu des formes géométriques simples utilisées par l'invention (cylindre et couronne circulaire) ces essais ne demanderont aucun effort particulier.
À titre d'exemple de réalisation, on a déterminé que dans la bande 7,1-8,5 GHz une hauteur H de 14 mm et une largeur h de 9 mm permettaient d'obtenir, à performances égales, une réduction du diamètre du réflecteur secondaire de l'ordre de 30 %.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 4, le cône 402 qui supporte le réflecteur secondaire 103 est réalisé dans un matériau diélectrique plein qui a pour effet de diminuer la longueur d'onde à l'intérieur de ce cône. Dans ces conditions l'extrémité du cône pénètre à l'intérieur du guide d'onde circulaire 401, pour des raisons purement mécaniques. L'invention propose alors de réaliser l'ensemble cylindre/couronne du premier mode de réalisation sous la forme d'un anneau unique plein 404 présentant une hauteur H' et une épaisseur h'. Pour obtenir les résultats les meilleurs, l'extrémité libre de cet anneau, celle tournée vers le réflecteur principal, est usinée de manière à présenter un décrochement 405 qui réduit l'épaisseur de l'anneau sur sa circonférence extérieure.
À titre d'exemple numérique pour ce deuxième mode de réalisation, on a déterminé que dans la bande 14,2-15,35 GHz une hauteur H' de 2 mm et une épaisseur h' de 4 mm permettait là aussi d'obtenir, à performances égales, une réduction du diamètre du réflecteur secondaire de l'ordre de 30 %.
Pour illustrer l'amélioration des performances, on a représenté sur la figure 5 les diagrammes de rayonnement 501 d'une antenne connue, et 502 d'une antenne selon l'invention. On constate que le diagramme de l'antenne selon l'invention est nettement amélioré, tout particulièrement dans la région correspondant à des incidences supérieures à 30°.
Outre une amélioration des performances radioélectriques, l'invention permet, en diminuant les dimensions du réflecteur principal, de diminuer l'impact visuel de telles antennes, ce qui permet de les intégrer plus facilement dans le paysage.

Claims (4)

  1. Réflecteur secondaire pour antenne hyperfréquence de type Cassegrain comportant un réflecteur secondaire de base (103), comprenant un premier "anneau" circulaire (104) présentant la forme d'un cylindre en matériau conducteur, de diamètre égal au diamètre extérieur du réflecteur de base, fixé par l'une de ses extrémités au bord extérieur de ce réflecteur de base pour faire saillie du côté de la surface réfléchissante du réflecteur et ayant une hauteur H pour diminuer le "rayonnement de débordement " du réflecteur secondaire, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième "anneau" (105) présentant la forme d'une couronne circulaire en matériau conducteur, de diamètre intérieur égal au diamètre du premier anneau, fixée à l'extrémité libre de ce premier anneau et ayant une largeur h pour augmenter la diminution dudit rayonnement de débordement.
  2. Réflecteur selon la revendication 1, dans lequel les valeurs des paramètres H et h sont de l'ordre du quart de la longueur d'onde moyenne pour laquelle l'antenne est dimensionnée.
  3. Réflecteur selon la revendication 1, dans lequel le premier et le deuxième anneaux sont réalisés sous la forme d'un anneau unique plein (404) présentant une hauteur H' et une épaisseur h', et en ce qu'il comprend un cône (402) en matériau diélectrique plein qui relie le guide d'onde (401) destiné à alimenter l'antenne au réflecteur de base pour permettre de diminuer les valeurs des paramètres H' et h' par rapport aux valeurs des paramètres H et h.
  4. Réflecteur selon la revendication 3, dans lequel l'extrémité libre de l'anneau unique plein (404) est usinée de manière à présenter un décrochement (405) qui réduit son épaisseur sur sa circonférence extérieure pour augmenter la diminution dudit rayonnement de débordement.
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