EP2264833B1 - Réflecteur secondaire d'antenne parabolique - Google Patents

Réflecteur secondaire d'antenne parabolique Download PDF

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EP2264833B1
EP2264833B1 EP10164963.0A EP10164963A EP2264833B1 EP 2264833 B1 EP2264833 B1 EP 2264833B1 EP 10164963 A EP10164963 A EP 10164963A EP 2264833 B1 EP2264833 B1 EP 2264833B1
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secondary reflector
radius
reflector
external surface
reliefs
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Denis Tuau
Armel Le Bayon
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Alcatel Lucent SAS
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Alcatel Lucent SAS
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations 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
    • H01Q19/18—Combinations 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
    • H01Q19/19—Combinations 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
    • H01Q19/193—Combinations 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 with feed supported subreflector

Definitions

  • the present invention relates to parabolic dishes with double reflectors, including radio frequency (RF) antennas used in the field of telecommunications.
  • RF radio frequency
  • parabolic antennas comprise a concave primary reflector of large diameter and a secondary reflector ("sub-reflector" in English) convex of smaller diameter which is placed in the vicinity of the focus, on the same axis of revolution as the primary reflector.
  • These antennas operate indifferently in transmitter mode or in receiver mode, corresponding to two opposite directions of RF wave propagation.
  • the description is given either in transmission mode or in reception mode of the antenna, according to which allows to better illustrate the described phenomena. It should be noted that all the reasonings apply to the antennas as well in reception as in emission.
  • the secondary reflector usually has a dielectric body transparent to RF waves.
  • the outer surface of substantially conical general shape of the secondary reflector faces the primary reflector.
  • the convex inner surface of the secondary reflector is coated with a treatment for reflecting the RF waves towards the primary reflector through the dielectric body. Multiple reflections of RF waves occur between the end of the waveguide and the primary reflector, involving the secondary reflector.
  • annular reliefs on the outer surface of the dielectric body reduces the multiple reflections of RF waves that occur between the waveguide and the primary reflector via the metallized inner surface of the secondary reflector.
  • these reliefs have little effect on two other important characteristics of the double reflector: the antenna gain, expressed in dBi or isotropic decibel, and the spillover losses, expressed in dB.
  • the overflow losses for the transmission mode of an RF antenna correspond to values of the illumination angle (measured with respect to the axis of revolution of the secondary reflector) of the primary reflector by the secondary reflector for which the RF waves from the waveguide are reflected by the secondary reflector in a direction that is outside the perimeter of the primary reflector. These losses lead to pollution of the environment by RF waves. These overflow losses should be limited to levels defined by standards.
  • a conventional solution is to attach to the periphery of the primary reflector a skirt which has the shape of a cylinder, of diameter close to that of the primary reflector and of suitable height, lined internally with a layer absorbing RF radiation.
  • this known solution has the disadvantage today of the cost of the material of the skirt, as well as the cost of assembling this skirt on the reflector.
  • the document US 6724349 proposes to provide the inside of the waveguide transverse sections of different diameter and to provide on the convex surface of the secondary reflector faces perpendicular to its axis.
  • the present invention aims to provide a dual reflector antenna whose losses overflow are significantly reduced.
  • the invention consists in proposing a secondary reflector whose outer surface has a profile according to a particular curve.
  • the secondary reflector is a volume of axial symmetry having an outer surface whose generator is a curve described by the preceding equation.
  • the present invention makes it possible to dispense with the skirt, or at least to reduce the height of the skirt of the primary reflector, which provides a cost and space advantage.
  • the invention can be used in applications such as, for example, the production of terrestrial antennas for receiving a radiofrequency signal emitted by a satellite or the link between two terrestrial antennas, and more generally in any application concerning radiofrequency links.
  • point-to-point in the frequency band from 7 GHz to 40 GHz.
  • the scheme of the figure 1 shows the outer surface 1 of axis of revolution XX 'of a secondary reflector 2 of height L.
  • the reflector 2 has a first end 3 of radius a w allowing its junction with a waveguide 4.
  • the reflector 2 has a second end 5 of radius ⁇ 0 .
  • A is a digital constant influencing the amplitude of the curve. The value of A is different from zero and determined by numerical optimization.
  • the profile of the outer surface 25 meets the equation given above.
  • several reliefs 27 have been formed .
  • the reliefs 27 generally have an annular shape centered on the axis YY 'of the reflector 20.
  • the figure 3 shows in rear perspective the outer surface of the reflector 20 on which appear the reliefs 27 in the form of rings.
  • the first radius w is 0.04 ⁇ and the second radius ⁇ 0 is 2.75 ⁇ for a total height L of the reflector 20 of 2.3 ⁇ , where ⁇ is the working wavelength of the antenna.
  • the figure 4 30 shows the curve of the loss caused by reflections.
  • a reflection loss of less than -24dB is observed on about 18% of the width of the frequency band.
  • a low reflection loss value is therefore observed over a large part of the frequency band.
  • the antenna has a gain of up to 74%.
  • curves 50 and 51 show the radiation pattern of the primary reflector in the horizontal and vertical plane, respectively.
  • Zones 52 correspond to spill over areas corresponding to a reflection angle greater than 100 °. It is observed that in the present case these overflow losses are low, of the order of -12 dB at the edges of the primary reflector.
  • the radiation pattern 60 in the horizontal plane of the antenna is given on the figure 6 .
  • the reference curve 61 represents the standard profile (ETSI) and the zone 62 corresponds to the side lobes.

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  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Description

  • La présente invention se rapporte aux antennes paraboliques à double réflecteur, notamment les antennes radiofréquences (RF) utilisées dans le domaine des télécommunications.
  • Ces antennes paraboliques comportent un réflecteur primaire concave de grand diamètre et un réflecteur secondaire (« sub-reflector » en anglais) convexe de diamètre moindre qui est placé au voisinage du foyer, sur le même axe de révolution que le réflecteur primaire. Ces antennes fonctionnent indifféremment en mode transmetteur ou en mode récepteur, correspondant à deux sens opposés de propagation des ondes RF. Dans ce qui suit, la description est donnée soit en mode émission, soit en mode réception de l'antenne, selon ce qui permet de mieux illustrer les phénomènes décrits. Il faut noter que tous les raisonnements s'appliquent aux antennes aussi bien en réception qu'en émission.
  • Le réflecteur secondaire comporte habituellement un corps diélectrique transparent aux ondes RF. La surface externe de forme générale sensiblement conique du réflecteur secondaire fait face au réflecteur primaire. La surface interne convexe du réflecteur secondaire est revêtue d'un traitement permettant de réfléchir les ondes RF en direction du réflecteur primaire en traversant le corps diélectrique. De multiples réflexions des ondes RF surviennent entre l'extrémité du guide d'onde et le réflecteur primaire, en impliquant le réflecteur secondaire.
  • L'introduction de reliefs annelés sur la surface externe du corps diélectrique, comme décrit par exemple dans le document JP-2009-017 346 , permet de réduire les réflexions multiples des ondes RF qui se produisent entre le guide d'onde et le réflecteur primaire via la surface interne métallisée du réflecteur secondaire. Par contre, ces reliefs ont peu d'effet sur deux autres caractéristiques importantes du double réflecteur : le gain d'antenne, exprimé en dBi ou décibel isotrope, et les pertes par débordement (« spillover » en anglais), exprimées en dB.
  • Les pertes par débordement pour le mode émission d'une antenne RF correspondent à des valeurs de l'angle d'éclairement (mesuré par rapport à l'axe de révolution du réflecteur secondaire) du réflecteur primaire par le réflecteur secondaire pour lesquels les ondes RF issues du guide d'onde sont réfléchies par le réflecteur secondaire dans une direction qui est en dehors du périmètre du réflecteur primaire. Ces pertes conduisent à une pollution de l'environnement par les ondes RF. Ces pertes par débordement doivent être limitées à des niveaux définis par des normes.
  • Une solution habituelle est d'attacher à la périphérie du réflecteur primaire une jupe qui a la forme d'un cylindre, de diamètre voisin de celui du réflecteur primaire et de hauteur convenable, revêtu intérieurement d'une couche absorbant le rayonnement RF. Outre l'encombrement qui en résulte, cette solution connue présente l'inconvénient aujourd'hui gênant du coût du matériau de la jupe, ainsi que du coût d'assemblage de cette jupe sur le réflecteur. Le document US-6,724,349 propose de munir l'intérieur du guide d'onde de sections transversales de diamètre différent et de ménager sur la surface convexe du réflecteur secondaire des faces perpendiculaires à son axe.
  • La présente invention a pour but de proposer une antenne à double réflecteur dont les pertes par débordement sont notablement réduites.
  • L'objet de la présente invention est un réflecteur secondaire d'antenne parabolique comprenant
    • une première extrémité ayant une jonction d'un premier rayon, adaptée pour le couplage à l'extrémité d'un guide d'onde,
    • une seconde extrémité, ayant un second rayon plus grand que le premier rayon,
    • une surface interne convexe réfléchissante placée à la seconde extrémité ayant un axe de révolution,
    • une surface externe de même axe, reliant les deux extrémités,
    • un corps diélectrique s'étendant entre la première et la seconde extrémité et limité par la surface interne et la surface externe,
  • Selon l'invention, la surface externe du réflecteur secondaire a un profil décrit par une équation de la forme : ρ z = a ω + ρ 0 − a ω 1 − A z + L L + A sin 2 π z + L 2 L
    Figure imgb0001
     dans laquelle
    • A est une constante numérique différente de zéro (A ≠ 0),
    • aw est le premier rayon de la première extrémité du réflecteur secondaire,
    • ρ0 est le deuxième rayon de la deuxième extrémité du réflecteur secondaire,
    • L est la hauteur totale du réflecteur secondaire,
    • z est la hauteur considérée du réflecteur secondaire, et
    • ρ(z) est le rayon d'une section placée à la hauteur z du réflecteur secondaire.
    et la surface externe du réflecteur secondaire comporte une pluralité de reliefs annulaires entourant le corps diélectrique, la ligne reliant les surfaces externes des reliefs et la lignes reliant les bases des reliefs étant décrites par une équation de la même forme que celle décrivant la surface externe du réflecteur secondaire.
  • L'invention consiste à proposer un réflecteur secondaire dont la surface externe présente un profil selon une courbe particulière. Le réflecteur secondaire est un volume de symétrie axiale ayant une surface externe dont la génératrice est une courbe décrite par l'équation précédente.
  • La surface externe du réflecteur secondaire comporte une pluralité de reliefs annulaires entourant le corps diélectrique, la ligne reliant les surfaces externes des reliefs est décrite par une équation de la même forme que celle décrivant la surface externe du réflecteur : ρ z = a ω + ρ 0 − a ω 1 − A z + L L + A sin 2 π z + L 2 L
    Figure imgb0002
  • La ligne reliant les bases des reliefs est décrite par une équation de la même forme que celle décrivant la surface externe du réflecteur.
  • Ces reliefs sont placés sur la surface externe du réflecteur secondaire pour réduire les réflexions multiples de l'onde RF. On obtient ainsi simultanément une réduction des pertes par débordement et des réflexions multiples des ondes RF.
  • La présente invention a aussi pour objet une antenne parabolique comportant un réflecteur primaire et un réflecteur secondaire associé. Le réflecteur secondaire comprend :
    • une première extrémité ayant une jonction d'un premier rayon, adaptée pour le couplage à l'extrémité d'un guide d'onde,
    • une seconde extrémité, ayant un second rayon plus grand que le premier rayon,
    • une surface interne convexe réfléchissante placée à la seconde extrémité ayant un axe de révolution,
    • une surface externe de même axe, reliant les deux extrémités,
    • un corps diélectrique s'étendant entre la première et la seconde extrémité et limité par la surface interne et la surface externe,
  • Selon l'invention, la surface externe du réflecteur secondaire a un profil décrit par une équation de la forme : ρ z = a ω + ρ 0 − a ω 1 − A z + L L + A sin 2 π z + L 2 L
    Figure imgb0003
     dans laquelle
    • A est une constante numérique différente de zéro (A ≠ 0),
    • aw est le premier rayon de la première extrémité du réflecteur secondaire,
    • ρ0 est le deuxième rayon de la deuxième extrémité du réflecteur secondaire,
    • 0L est la hauteur totale du réflecteur secondaire,
    • z est la hauteur considérée du réflecteur secondaire, et
    • ρ(z) est le rayon d'une section placée à la hauteur z du réflecteur secondaire.
    et la surface externe du réflecteur secondaire comporte une pluralité de reliefs annulaires entourant le corps diélectrique, la ligne reliant les surfaces externes des reliefs et la lignes reliant les bases des reliefs étant décrites par une équation de la même forme que celle décrivant la surface externe du réflecteur secondaire.
  • Du fait de la réduction des pertes par débordement, la présente invention permet de se passer de la jupe, ou à tout le moins de réduire la hauteur de la jupe du réflecteur primaire, ce qui procure un avantage de coût et d'encombrement.
  • L'invention est utilisable dans des applications telles que, par exemple, la réalisation d'antennes terrestres permettant de recevoir un signal radiofréquence émis par un satellite ou la liaison entre deux antennes terrestres, et de façon plus générale dans toute application concernant les liaisons radiofréquence point à point dans la bande de fréquence de 7 GHz à 40 GHz.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation, donné bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel
    • la figure 1 est un schéma montrant le profil de la surface extérieure d'un réflecteur secondaire selon un mode de réalisation de l'invention,
    • la figure 2 est une vue en coupe partielle d'un mode de réalisation d'un réflecteur secondaire,
    • la figure 3 est une vue en perspective du réflecteur secondaire selon le mode de réalisation de la figure 2,
    • la figure 4 représente la perte de rayonnement par réflexion("return loss" en anglais) d'un réflecteur secondaire en fonction de la fréquence de l'onde émise ou reçue, la perte par réflexion R en dB est donnée en ordonnée et en abscisse la fréquence ν en GHz,
    • la figure 5 représente le diagramme de rayonnement à 7,8 GHz du réflecteur primaire de l'antenne dans les plans horizontal et vertical en fonction de l'angle de réflexion qui est mesuré par rapport à l'axe de la parabole (θ = 0°), l'Intensité du rayonnement I en dB est donné en ordonnée et en abscisse l'angle de réflexion θ en degrés,
    • la figure 6 représente le diagramme de rayonnement de l'antenne dans le plan horizontal en fonction de l'angle d'émission/réception, l'intensité du rayonnement J en dB est donné en ordonnée, et en abscisse l'angle β en degrés,
  • Le schéma de la figure 1 montre la surface extérieure 1 d'axe de révolution X-X' d'un réflecteur secondaire 2 de hauteur L. Le réflecteur 2 a une première extrémité 3 de rayon aw permettant sa jonction avec un guide d'onde 4. Le réflecteur 2 a une seconde extrémité 5 de rayon ρ0. Entre la première extrémité 3 et la seconde extrémité 5 se développe la surface extérieure 1 dont le rayon ρ(z) en un point de hauteur z est donné par l'équation : ρ z = a ω + ρ 0 − a ω 1 − A z + L L + A sin 2 π z + L 2 L
    Figure imgb0004
     dans laquelle A est constante numérique influençant l'amplitude de la courbe. La valeur de A est différente de zéro et déterminée par optimisation numérique.
  • Dans le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 2, un réflecteur secondaire 20 comporte une extrémité 21 de moindre rayon réalisant la jonction avec un guide d'onde 22 et une extrémité 23 ouverte de grand rayon où se rejoignent la surface interne 24 et la surface externe 25 limitant un volume 26 en matériau diélectrique (εr = 2,5), Une partie du matériau diélectrique 26 se prolonge pour pénétrer à l'intérieur du guide d'onde 22, afin d'assurer le maintien mécanique et la transition radio-électrique entre le guide d'onde 22 et le réflecteur secondaire 20. Le profil de la surface externe 25 répond à l'équation donnée précédemment. Sur la surface externe 25, on a ménagé plusieurs reliefs 27, Les reliefs 27 ont en générale une forme annulaire centré sur l'axe Y-Y' du réflecteur 20. Dans la cas présent le profil de la surface enveloppe 28 reliant les surfaces extérieures des reliefs 27 doit répondre aussi à l'équation : ρ z = a ω + ρ 0 − a ω 1 − A z + L L + A sin 2 π z + L 2 L
    Figure imgb0005
  • La figure 3 montre en perspective arrière la surface extérieure du réflecteur 20 sur laquelle apparaissent les reliefs 27 en forme d'anneaux. A titre d'exemple dans le cas présent, le premier rayon aw vaut 0,04λ et le second rayon ρ0 vaut 2,75λ pour une hauteur totale L du réflecteur 20 de 2,3λ, où λ est la longueur d'onde de travail de l'antenne.
  • La figure 4 montre la courbe 30 de la perte causée par les réflexions. Une perte par réflexion inférieure à -24dB est observée sur environ 18% de la largeur de la bande de fréquence. Une faible valeur de perte par réflexion est donc observée sur une large partie de la bande de fréquence. L'antenne présente un gain pouvant atteindre 74%.
  • Sur la figure 5, les courbes 50 et 51 montrent le diagramme de rayonnement du réflecteur primaire dans le plan horizontal et vertical respectivement. Les zones 52 correspondent aux zones de perte par débordement ("spill over" en anglais) correspondant à un angle de réflexion supérieur à 100°. On observe que dans le cas présent ces pertes par débordement sont faibles, de l'ordre de -12dB au niveau des bords du réflecteur primaire.
  • Le diagramme de rayonnement 60 dans le plan horizontal de l'antenne est donné sur la figure 6. La courbe 61 de référence représente le profil standard (ETSI) et la zone 62 correspond aux lobes latéraux.

Claims (3)

  1. Réflecteur secondaire d'antenne parabolique comprenant
    - une première extrémité (3) ayant une jonction d'un premier rayon aw, adaptée pour le couplage à l'extrémité d'un guide d'onde (4),
    - une seconde extrémité (5), ayant un second rayon ρ0 plus grand que le premier rayon aw,
    - une surface interne convexe réfléchissante placée à la seconde extrémité (5) ayant un axe de révolution X-X',
    - une surface externe (1) de même axe, reliant les deux extrémités (3, 5),
    - un corps diélectrique (26) s'étendant entre la première (3) et la seconde extrémité (5) et limité par la surface interne et la surface externe (1),
    caractérisé en ce que la surface externe (1) du réflecteur secondaire (2) a un profil décrit par une équation de la forme : ρ z = a ω + ρ 0 − a ω 1 − A z + L L + A sin 2 π z + L 2 L
    Figure imgb0006
     dans laquelle
    A est une constante numérique différente de zéro,
    aw est le premier rayon de la première extrémité (3) du réflecteur secondaire (2),
    ρ0 est le deuxième rayon de la deuxième extrémité (5) du réflecteur secondaire (2),
    L est la hauteur totale du réflecteur secondaire (2),
    z est la hauteur considérée du réflecteur secondaire (2), et
    ρ(z) est le rayon d'une section placée à la hauteur z du réflecteur secondaire (2).
    et en ce que la surface externe (1) du réflecteur secondaire (2) comporte une pluralité de reliefs (27) annulaires entourant le corps diélectrique (26), la ligne (28) reliant les surfaces externes des reliefs (27) et la lignes reliant les bases des reliefs (27) étant décrites par une équation de la même forme que celle décrivant la surface externe (1) du réflecteur secondaire (2).
  2. Réflecteur secondaire selon la revendication 1, dans lequel [la surface externe (25) du réflecteur secondaire (20) comporte en outre au moins un relief (27) en forme d'anneau entourant le corps diélectrique (26)] le premier rayon aw vaut 0,04λ, le second rayon ρ0 vaut 2,75λ et la hauteur totale L du réflecteur (20) vaut 2,3λ, où λ est la longueur d'onde de travail de l'antenne.
  3. Antenne parabolique comportant un réflecteur primaire et un réflecteur secondaire selon l'une des revendications précédentes, le réflecteur secondaire (2) comprenant :
    - une première extrémité (3) ayant une jonction d'un premier rayon aw, adaptée pour le couplage à l'extrémité d'un guide d'onde (4),
    - une seconde extrémité (5), ayant un second rayon ρ0 plus grand que le premier rayon aw,
    - une surface interne convexe réfléchissante placée à la seconde extrémité (5) ayant un axe de révolution X-X',
    - une surface externe (1) de même axe, reliant les deux extrémités (3, 5),
    - un corps diélectrique (26) s'étendant entre la première (3) et la seconde extrémité (5) et limité par la surface interne et la surface externe (1),
    caractérisée en ce que la surface externe (1) du réflecteur secondaire (2) a un profil décrit par une équation de la forme : ρ z = a ω + ρ 0 − a ω 1 − A z + L L + A sin 2 π z + L 2 L
    Figure imgb0007
     dans laquelle
    A est une constante numérique différente de zéro,
    aw est le premier rayon de la première extrémité (3) du réflecteur secondaire (2),
    ρ0 est le deuxième rayon de la deuxième extrémité (5) du réflecteur secondaire (2),
    L est la hauteur totale du réflecteur secondaire (2),
    z est la hauteur considérée du réflecteur secondaire (2), et
    ρ(z) est le rayon d'une section placée à la hauteur z du réflecteur secondaire (2).
    et en ce que la surface externe (1) du réflecteur secondaire (2) comporte une pluralité de reliefs (27) annulaires entourant le corps diélectrique (26), la ligne (28) reliant les surfaces externes des reliefs (27) et la lignes reliant les bases des reliefs (27) étant décrites par une équation de la même forme que celle décrivant la surface externe (1) du réflecteur secondaire (2).
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EP2264833A3 EP2264833A3 (fr) 2011-01-19
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