EP2377198A1 - Radome pour antenne parabolique large bande - Google Patents

Radome pour antenne parabolique large bande

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EP2377198A1
EP2377198A1 EP09803836A EP09803836A EP2377198A1 EP 2377198 A1 EP2377198 A1 EP 2377198A1 EP 09803836 A EP09803836 A EP 09803836A EP 09803836 A EP09803836 A EP 09803836A EP 2377198 A1 EP2377198 A1 EP 2377198A1
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EP
European Patent Office
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radome
antenna
outer layers
cells
core layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09803836A
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German (de)
English (en)
Inventor
Armel Lebayon
Denis Tuau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alcatel Lucent SAS
Original Assignee
Alcatel Lucent SAS
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Publication date
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/42—Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/42—Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome
    • H01Q1/422—Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome comprising two or more layers of dielectric material
    • H—ELECTRICITY
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    • 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
    • H01Q19/12—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 wherein the surfaces are concave
    • H01Q19/13—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 wherein the surfaces are concave the primary radiating source being a single radiating element, e.g. a dipole, a slot, a waveguide termination
    • H01Q19/134—Rear-feeds; Splash plate feeds

Definitions

  • Satellite dishes are usually used as radiocommunication antennas.
  • Such an antenna comprises a main reflector having a concavity in the form of a paraboloid of revolution about the axis of symmetry of this antenna.
  • the periphery of the parabola is most often provided with a cylindrical wall, also called skirt or screen, which limits the lateral radiation of the antenna and thus improves its performance.
  • the presence of the screen increases the wind angle of the antenna and the risk of accumulation of pollutants.
  • the screen is associated with a radome which has an impervious protective surface partitioning the space defined by the reflector and the screen vis-à-vis the outside. This radome can be flexible or rigid.
  • a rigid radome has the advantage of good resistance vis-à-vis the external climate environment such as rain, wind or snow.
  • a rigid radome has a symmetrical surface with respect to the axis of the antenna.
  • the most commonly used rigid radomes are tapered, as for example that described in US Pat. No. 7,042,407.
  • the radome is made of a dielectric material, such as a polymer (polycarbonate, ASA, ABS, PS, PVC, PP, ...), fiberglass, etc.
  • a conical radome can be injection molded or thermoformed. When the material does not allow it or when the diameter is too large, the radome can only be flat.
  • the two half-disks are at an angle less than or equal to 12 ° with the plane perpendicular to the axis of the antenna. This angle is preferably between 4 ° and 12 °.
  • This particular form of radome allows the reflected waves to be absorbed by the screen. Thus the reflected waves no longer cause disturbances.
  • a multilayer material has the advantage of having good mechanical strength and improved radio performance compared to a monolayer material. However, it is thicker, heavier and more expensive. In addition radio performance can be degraded by the dielectric material of the core layers.
  • a sandwich-type material whose central layer contains little material, such as for example a foam or a honeycomb, no longer has this disadvantage but it remains expensive and its mechanical strength is lower.
  • the radome material according to the present invention has very thin outer layers which are favorable to the operation of the antenna over a wide frequency band.
  • the inner layer contains a high proportion of air which makes it light.
  • the polymeric material used contributes to reducing the cost of the radome.
  • the cells have the shape of a truncated cone comprising a recess at half height. This particular shape of the cells makes the material very mechanically strong and improves the passage of electromagnetic waves.
  • FIG. 2 is a perspective view of the antenna of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a sectional view of the material of the radome according to one embodiment of the invention;
  • FIG. 4 is a perspective view of the material of the radome of FIG. 3;
  • an antenna 10 provided with its fastening means 11, for example on a mast.
  • the antenna 10 comprises a parabolic reflector 12 at the center of which is placed a waveguide 13.
  • a screen or skirt 14, covered internally with an absorbent coating 15, is fixed to the periphery of the parabolic reflector 12.
  • a fixed radome 16 at its periphery on the skirt 14 covers the parabola 12.
  • the radome 16 has a fold 17 according to one of its diameters defining two half-disks 16a and 16b. The two half-disks 16a and 16b make an angle ⁇ between 4 ° and 12 ° with the plane 18 perpendicular to the axis of the antenna.
  • This conformation of the radome 16 allows a wave 19 emitted by the waveguide 13 to reflect on the parabolic reflector 12, then to move (arrow 20) to the radome 16 on which it is reflected again.
  • the wave is directed (arrow 21) to the absorbent coating 15 of the skirt 14 in which it is absorbed without disturbing the waves 19, 19 ', 19 "emitted by the waveguide 13 .
  • FIG 2 shows a perspective view of the antenna 10 of Figure 1, provided with its radome 16, fixed on a mast 22 by the fastening means 11 it carries.
  • the radome 16 is fixed on the periphery of the skirt 14 by means of a ring 23 of injected plastic whose shape is adapted.
  • FIGS 3 and 4 are respectively a section and a partial perspective view of the material constituting the radome.
  • This material comprises an upper layer 30 consisting of a flat plate of polymeric material, such as polypropylene, and a lower layer 31 consisting of a plate of polymeric material which may be similar to or different from that of the layer 30.
  • the outer layers 30, 31 must be thin and have a very low dielectric constant.
  • the layers 30 and 31 here have a thickness of the order of 0.55 mm.
  • the layers 30 and 31 surround an intermediate layer 32 formed of cells 33 filled with air.
  • the intermediate layer 32 has a thickness of between 3.8 mm and 4.7 mm, and a low dielectric constant ⁇ r of the order of 1.
  • the cells 33 are of substantially conical shape, the truncated cones being arranged alternately in a sense and in the other.
  • the walls of the cones are of polymeric material, such as for example polypropylene, and have a constant thickness to facilitate the welding or gluing of the layer 32 on the layers 30 and 31.
  • the cells 33 are filled with air for a greater lightness of the radome.
  • the cells comprise a recess 34 located about halfway up the cones.
  • This recess makes it possible to stiffen the walls of the cells and to reinforce the mechanical strength of the intermediate layer 32 and of the entire material.
  • the fold of the radome according to one of its diameter can be obtained by mechanical or thermal action on the material.
  • the mechanical action may for example be a simple cold bending, and the thermal action may be for example the passage of a hot wheel on the material.
  • FIG. 5 compares the radioelectric performances of the radome according to the embodiment of the invention (curve 50) represented in the preceding figures with those of the known radomes (curves 51 to 53).
  • the reflection coefficient R has been represented as a function of the frequency F of the wave incident on the radome.
  • Curve 54 materializes the limit of acceptable performance for a radome which corresponds to a reflection coefficient of -20 dB. Above this value, the antenna radiation pattern or the "return loss" may be disturbed.

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Abstract

La présente invention a pour objet un radôme rigide pour une antenne parabolique large bande. Le radôme a une forme sensiblement circulaire et il est plié selon un diamètre vers l'intérieur de l'antenne, formant ainsi deux demi-disques. Les deux demi-disques font un angle inférieur ou égal à 12° avec le plan perpendiculaire à l'axe de l'antenne. Le radôme est constitué d'un matériau multicouche de type sandwich comprenant deux couches externes entourant au moins une couche centrale alvéolée dont les alvéoles ont une forme sensiblement conique.

Description

Radôme pour antenne parabolique large bande
La présente invention se rapporte à un radôme pour antenne parabolique permettant une utilisation sur une large bande de fréquences (5 à 25 GHz). Elle s'étend en outre à une antenne munie de ce radôme.
Les antennes paraboliques sont habituellement utilisées comme antennes de radiocommunication. Une telle antenne comporte un réflecteur principal présentant une concavité ayant la forme d'un paraboloïde de révolution autour de l'axe de symétrie de cette antenne. La périphérie de la parabole est le plus souvent munie d'une paroi cylindrique, appelée aussi jupe ou écran, qui limite notamment le rayonnement latéral de l'antenne et améliore ainsi ses performances. La présence de l'écran augmente la prise au vent de l'antenne et le risque d'accumulation d'éléments polluant. Aussi, on associe à l'écran un radôme qui présente une surface protectrice imperméable cloisonnant l'espace défini par le réflecteur et l'écran vis-à-vis de l'extérieur. Ce radôme peut être souple ou rigide.
Un radôme composé d'une matière souple comme une toile a un coût de production limité et un encombrement réduit préalablement à son installation sur l'antenne. Il a en outre l'avantage d'être suffisamment transparent vis-à-vis des ondes transmises par l'antenne sur une largeur de bande couvrant différentes applications de radiocommunications. Cependant, la surface du radôme en réfléchissant les ondes perturbe le fonctionnement de l'antenne et peut réduire ses performances. Pour limiter ces perturbations, il est connu d'incliner la surface du radôme par rapport à l'axe de l'antenne pour introduire un déphasage entre les ondes réfléchies de telle sorte que les perturbations engendrées par ces ondes réfléchies ne peuvent s'ajouter entre elles. Toutefois, un tel radôme souple présente des inconvénients liés à une relative fragilité et à un système complexe de fixation sur la jupe de l'antenne nécessitant des éléments auto-tenseurs pour sa mise et son maintien sous tension, tels que des ressorts.
Un radôme rigide présente l'avantage d'une bonne résistance vis-à-vis de l'environnement climatique extérieur tel que pluie, vent ou neige. Un radôme rigide présente une surface symétrique par rapport à l'axe de l'antenne. Les radômes rigides les plus utilisés actuellement sont coniques, comme par exemple celui décrit dans le brevet US-7,042,407. Le radôme est réalisé dans un matériau diélectrique, tel qu'un polymère (polycarbonate, ASA, ABS, PS, PVC, PP, ...), de la fibre de verre, etc .. Un radôme conique peut être moulé par injection ou thermoformé. Lorsque le matériau ne le permet pas ou lorsque le diamètre est trop grand, le radôme ne peut être que plat. Or cette forme de radôme présente les mêmes inconvénients que le radôme souple, c'est à dire des performances insuffisantes dues aux réflexions qu'elle engendre. La solution analogue à celle appliquée au radôme souple, consistant à incliner la surface du radôme par rapport à l'axe de l'antenne, n'est pas satisfaisante. En particulier elle a le défaut d'augmenter l'encombrement de l'antenne.
On connait, par exemple du document EP-1 796 209, des radômes rigides présentant une concavité de symétrie circulaire par rapport à l'axe de l'antenne, ce qui permet de l'agencer sur un écran sans considérer l'orientation du radôme par rapport à l'axe de l'antenne.
Néanmoins l'épaisseur du matériau mis en œuvre dans un radôme rigide est problématique puisque cette épaisseur est déterminée en fonction de la bande de fréquences utilisée par l'antenne. Par exemple, l'épaisseur d'un radôme rigide mis en œuvre dans une antenne transmettant avec une longueur d'onde de l'ordre de 40 GHz est pratiquement deux fois moins importante que l'épaisseur d'un radôme rigide de même nature mis en œuvre dans une antenne transmettant avec une longueur d'onde de l'ordre de 20 GHz. On comprend que pour utiliser l'antenne sur une large bande de fréquences, pouvant aller de 5 à 25 GHz, il est nécessaire d'utiliser cinq radômes d'épaisseur différente. Ces radômes doivent être démontés et remplacés à chaque changement de domaine de fréquence.
En outre un radôme doit présenter les qualités suivantes :
- une grande transparence aux ondes radioélectriques sur la plus grande bande passante possible,
- une bonne résistance mécanique à des charges supérieures à 300 Kg/m2, ce qui correspond à des vents de 250 Km/h,
- une stabilité suffisante vis-à-vis des rayons ultraviolets (UV), de la pluie, des brouillards salins et des écarts de température dans la plage -45°C à +700C, - un coût le plus bas possible, notamment en ce qui concerne les radômes de grand diamètre.
La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients de l'art antérieur, en proposant un radôme rigide permettant le fonctionnement d'une antenne parabolique dans un domaine de fréquence plus large que l'art antérieur, sans qu'il soit nécessaire de le changer.
La présente invention a pour objet un radôme rigide circulaire pour une antenne parabolique large bande, caractérisé en ce qu'il est plié selon un diamètre vers l'intérieur de l'antenne, formant ainsi deux demi-disques.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les deux demi-disques font un angle inférieur ou égal à 12° avec le plan perpendiculaire à l'axe de l'antenne. De préférence cet angle est compris entre 4° et 12°. Cette forme particulière du radome permet aux ondes réfléchies d'être absorbées par l'écran. Ainsi les ondes réfléchies n'entraînent plus de perturbations.
La pliure peut être obtenue par action mécanique ou thermique sur le matériau du radôme.
Un matériau de radôme doit avoir comme propriété principale d'être le plus transparent possible vis a vis des ondes. Il doit en outre avoir une rigidité mécanique suffisante et une bonne résistance aux conditions environnementales durant plusieurs années. Bien entendu, on choisira de préférence un matériau bon marché et facile à travailler.
La présente invention a donc aussi pour objet un radôme pour une antenne parabolique large bande tel que décrit précédemment, constitué d'un matériau multicouche de type sandwich comprenant deux couches externes entourant au moins une couche centrale alvéolée dont les alvéoles ont une forme sensiblement conique.
Cette forme améliore sensiblement le passage des ondes électromagnétiques.
De préférence les couches externes qui sont des plaques planes continues en matériau polymère. De préférence encore la couche centrale tridimensionnelle est constituée du même matériau. Ce matériau polymère est de préférence du polypropylène (PP) car c'est un matériau peu cher et présentant d'excellentes qualités radio (constante diélectrique du PP : εr = 2,3).
Un matériau multicouche a comme avantage d'avoir une bonne solidité mécanique et des performances radio améliorées par rapport à un matériau monocouche. Cependant il est plus épais, plus lourd et plus cher. En outre les performances radio peuvent être dégradées par le matériau diélectrique des couches centrales. Un matériau de type sandwich dont la couche centrale contient peu de matière, comme par exemple une mousse ou un nid d'abeille, ne présente plus cet inconvénient mais il reste onéreux et sa résistance mécanique est moindre. Le matériau du radôme selon la présente invention comporte des couches externes très fines qui sont favorables au fonctionnement de l'antenne sur une large bande fréquentielle. La couche interne contient une forte proportion d'air ce qui la rend légère. Le matériau possède une faible constante diélectrique, de l'ordre de celle de l'air (constante diélectrique de l'air : εr = 1 ). La matière polymère utilisée contribue à réduire le coût du radôme.
Selon une forme préférée d'exécution de l'invention, les alvéoles ont la forme d'un cône tronqué comportant un décrochement à mi-hauteur. Cette forme particulière des alvéoles rend le matériau très résistant mécaniquement et améliore le passage des ondes électromagnétiques.
L'invention a aussi pour objet une antenne parabolique apte à fonctionner dans le domaine de fréquence 7-25 GHz munie d'un radôme ayant une forme sensiblement circulaire, plié selon un diamètre en direction de l'intérieur de l'antenne.
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 une vue en coupe d'une antenne portant un radôme selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une vue en perspective de l'antenne de la figure 1 , - la figure 3 est une vue en coupe du matériau du radôme selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4 est une vue en perspective du matériau du radôme de la figure 3,
- la figure 5 montre une comparaison des performances radioélectriques du radôme selon un mode de réalisation de l'invention avec celles des radômes de l'art antérieur. Sur la figure 5, le coefficient de réflexion R en dB est donné en ordonnée, et en abscisse la fréquence F en GHz.
Dans le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1 , on a représenté en coupe une antenne 10 muni des ses moyens de fixation 11 , par exemple sur un mât. L'antenne 10 comporte un réflecteur parabolique 12 au centre duquel est placé un guide d'onde 13. Un écran ou jupe 14, recouverte intérieurement d'un revêtement absorbant 15, est fixée à la périphérie du réflecteur parabolique 12. Un radôme 16 fixé à sa périphérie sur la jupe 14 recouvre la parabole 12. Le radôme 16 comporte une pliure 17 selon l'un de ses diamètres définissant deux demi-disques 16a et16b. Les deux demi-disques 16a et16b font un angle α compris entre 4° et 12° avec le plan 18 perpendiculaire à l'axe de l'antenne. Cette conformation du radôme 16 permet à une onde 19 émise par le guide d'onde 13 de se réfléchir sur le réflecteur parabolique 12, puis de se diriger (flèche 20) vers le radôme 16 sur lequel elle se réfléchit à nouveau. Grâce à l'invention, l'onde est dirigée (flèche 21 ) vers le revêtement absorbant 15 de la jupe 14 dans lequel elle est absorbée sans créer de perturbation des ondes 19, 19', 19" émises par le guide d'onde 13.
La figure 2 montre une vue en perspective de l'antenne 10 de la figure 1 , munie de son radôme 16, fixée sur un mât 22 par les moyens de fixation 11 qu'elle porte. Le radôme 16 est fixé sur la périphérie de la jupe 14 au moyen d'une bague 23 en plastique injecté dont la forme est adaptée.
On considérera maintenant les figures 3 et 4 qui sont respectivement une coupe et une vue en perspective partielles du matériau constitutif du radôme. Ce matériau comporte une couche supérieure 30 constituée d'une plaque plane de matériau polymère, comme par exemple du polypropylène, et une couche inférieure 31 constituée d'une plaque de matériau polymère qui peut être semblable ou différent de celui de la couche 30. Pour optimiser les caractéristiques large bande de l'antenne, les couches externes 30, 31 doivent être minces et avoir une très faible constante diélectrique. Les couches 30 et 31 ont ici une épaisseur de l'ordre de 0,55 mm. Les couches 30 et 31 entourent une couche intermédiaire 32 formée d'alvéoles 33 remplies d'air. La couche intermédiaire 32 a une épaisseur comprise entre 3,8 mm et 4,7 mm, et une faible constante diélectrique εr de l'ordre de 1. Les alvéoles 33 sont de forme sensiblement conique, les cônes tronqués étant disposés alternativement dans un sens et dans l'autre. De préférence, les parois des cônes sont en matériau polymère, comme par exemple du polypropylène, et ont une épaisseur constante afin de faciliter la soudure ou le collage de la couche 32 sur les couches 30 et 31. Les alvéoles 33 sont remplie d'air pour une plus grande légèreté du radôme.
Selon une forme d'exécution préférentielle, les alvéoles comportent un décrochement 34 situé environ à mi-hauteur des cônes. Ce décrochement permet de rigidifier les parois des alvéoles et de renforcer la tenue mécanique de la couche intermédiaire 32 et de l'ensemble du matériau Sur un tel matériau, la pliure du radôme selon l'un de ses diamètre peut être obtenue par action mécanique ou thermique sur le matériau. L'action mécanique peut être par exemple un simple pliage à froid, et l'action thermique peut être par exemple le passage d'une roulette chaude sur le matériau.
On a comparé sur la figure 5 les performances radioélectriques du radôme selon le mode de réalisation de l'invention (courbe 50) représenté sur les figures précédentes avec celles des radômes connus (courbes 51 à 53). Le coefficient de réflexion R a été représenté en fonction de la fréquence F de l'onde incidente sur le radôme. La courbe 54 matérialise la limite des performances acceptables pour un radôme qui correspond à un coefficient de réflexion de -20 dB. Au-dessus de cette valeur, le diagramme de rayonnement de l'antenne ou l'atténuation d'équilibrage ("return loss" en anglais) risquent d'être perturbées.
La courbe 51 correspond au résultat obtenu avec un radôme plat rigide ayant une épaisseur de l'ordre d'une demi-longueur d'onde (εr = 2,3). Les radômes de ce type ont habituellement un petit diamètre de 0,3 m à 1 ,8 m (1ft à 6ft). À cause de l'étroitesse de la bande de fréquence dans laquelle il fonctionne, ce radôme a généralement une forme conique. Ce radôme est en polymère (ABS, PS, PVC, PP) injecté ou thermoformé. On constate en effet que l'efficacité de ce radôme est limitée à une étroite bande de fréquence comprise entre environ 14 GHz et 16 GHz. La courbe 52 correspond au fonctionnement d'un radôme souple à paroi très mince ayant une épaisseur de l'ordre d'un dixième de longueur d'onde (environ 0,8 mm d'épaisseur, εr = 3). Les radômes de ce type ont habituellement un grand diamètre de 1 ,2 m à 4,6 m (4ft à 15ft). Les performances de ce radôme sont au-dessus de la courbe représentant la limite des performances acceptables. La courbe 53 représente les performances d'un radôme plat constitué d'un matériau analogue à celui des figures 3 et 4 (εr = 1 ). Ce radôme décale vers les valeurs hautes la bande de fréquence utilisable par rapport à la courbe 51. Toutefois l'efficacité de ce radôme est limitée à une bande de fréquence comprise entre environ 14,5 GHz et 21 GHz. Dans la gamme de fréquences étudiée (7 à 23GHz), les performances du radôme représenté par la courbe 50 se situent toujours en dessous de la limite des performances acceptables représentée par la courbe 54. On comprend qu'un radôme selon un mode de réalisation de l'invention est efficace sur une bande de fréquence considérablement plus large que les radômes de l'art antérieur et permet donc de travailler sur la totalité de cette bande sans qu'il soit nécessaire de changer de radôme.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Radôme rigide circulaire pour une antenne parabolique large bande, caractérisé en ce qu'il est plié selon un diamètre vers l'intérieur de l'antenne, formant ainsi deux demi-disques.
Radôme selon la revendication 1 , dans lequel les deux demi-disques font un angle inférieur ou égale à 12° avec le plan perpendiculaire à l'axe de l'antenne.
2. Radôme selon l'une des revendications 1 et 2, constitué d'un matériau multicouche de type sandwich comprenant deux couches externes entourant au moins une couche centrale alvéolée dont les alvéoles ont une forme sensiblement conique.
3. Radôme selon la revendication 3, dans lequel les couches externes et la couche centrale sont en polymère.
4. Radôme selon la revendication 4, dans lequel les couches externes et la couche centrale sont en polypropylène.
5. Radôme selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel les alvéoles ont la forme d'un cône tronqué comportant un décrochement à mi-hauteur.
6. Antenne parabolique apte à fonctionner dans le domaine de fréquence 7-25 GHz munie d'un radôme selon l'une des revendications précédentes, ayant une forme sensiblement circulaire et étant plié selon un diamètre en direction de l'intérieur de l'antenne.
7. Antenne parabolique selon la revendication 7, dans laquelle le radôme est constitué d'un matériau multicouche de type sandwich comprenant deux couches externes entourant au moins une couche centrale alvéolée dont les alvéoles ont une forme sensiblement conique.
EP09803836A 2008-12-11 2009-12-10 Radome pour antenne parabolique large bande Withdrawn EP2377198A1 (fr)

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