FR2986376A1 - Reflecteur secondaire d'antenne a double reflecteur - Google Patents

Abstract

Un réflecteur secondaire d'antenne à double réflecteur comprend une première extrémité (21) comprenant une surface interne convexe (24), une seconde extrémité (22) adaptée pour le couplage à l'extrémité d'un guide d'onde (23), et un corps (25) s'étendant entre la première extrémité (21) et la seconde extrémité (22). Le corps (25) comprend une première partie diélectrique (26) ayant une portion (29) pénétrant dans le guide d'onde (23) et une portion (30) extérieur au guide d'onde (23), et une seconde partie métallique (27) comprenant une première portion cylindrique (33), contigüe à la première extrémité (21) du réflecteur secondaire (20) et de diamètre supérieur à la portion (30) extérieure au guide d'onde (23) de la première partie diélectrique (26), et une deuxième portion cylindrique (34), adjacente à la première portion cylindrique (33), se prolongeant par une portion conique (35) qui pénètre dans la première partie (26) diélectrique, la première portion cylindrique (33) portant en outre une surface annulaire plane (38), qui fait face au réflecteur primaire et qui fait un angle beta différent de 90° avec l'axe (X-X') du réflecteur secondaire (20).

Description

Réflecteur secondaire d'antenne à double réflecteur La présente invention se rapporte à une antenne à double réflecteur, notamment de type microonde, habituellement utilisée pour les réseaux de télécommunications mobiles. Afin de réaliser des systèmes compacts, on utilise des antennes à double réflecteur, notamment celles dites de type Cassegrain. Le double réflecteur comporte un réflecteur primaire concave, le plus souvent parabolique, et un réflecteur secondaire convexe, de diamètre très inférieur, placé au voisinage du foyer de la parabole sur le même axe de révolution que le réflecteur primaire. Un dispositif d'alimentation comprenant un guide d'onde est situé le long de l'axe de symétrie de l'antenne, face au réflecteur secondaire. Ces antennes sont dites à à réflecteur profond (« deep dish » en anglais) avec une faible valeur du rapport F/D inférieur ou égal à 0,25. Dans ce rapport, F est la distance focale du réflecteur (distance entre le sommet du réflecteur et son foyer) et D est le diamètre du réflecteur. Ces antennes présentent des pertes par débordement (« spillover » en anglais) qui sont élevées et diminuent le rapport avant/arrière (« front-to-back ratio » en anglais) de l'antenne. Les pertes par débordement conduisent à une pollution de l'environnement par les ondes RF et doivent être limitées à des niveaux définis par des normes. Une solution habituelle est d'attacher à la périphérie du réflecteur primaire une jupe (« shroud » en anglais) 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. L'utilisation d'une jupe absorbante onéreuse est obligatoire pour supprimer l'effet de débordement.

En outre, pour des fréquences basses, inférieures à 23GHz, le diamètre élevé du réflecteur primaire augmente le niveau des lobes secondaires (effet de masque). La présente invention a pour but de proposer une antenne à double réflecteur dont le diagramme de rayonnement est amélioré de manière à atteindre les gabarits des standards FCC et ETSI.

En particulier l'antenne proposée présente des lobes latéraux réduits et un rapport avant/arrière élevé. L'invention a encore pour but de supprimer la coûteuse jupe absorbante. L'objet de la présente invention est un réflecteur secondaire d'antenne à double réflecteur comprenant - une première extrémité comprenant une surface interne convexe, - une seconde extrémité adaptée pour le couplage à l'extrémité d'un guide d'onde, - un corps s'étendant entre la première extrémité et la seconde extrémité, qui comprend - une première partie diélectrique ayant une portion pénétrant dans le guide d'onde et une portion extérieur au guide d'onde - une seconde partie métallique comprenant une première portion cylindrique, contigüe à la première extrémité du réflecteur secondaire et de diamètre supérieur à la portion extérieure au guide d'onde de la première partie diélectrique, et une deuxième portion cylindrique, adjacente à la première portion cylindrique, se prolongeant par une portion conique qui pénètre dans la première partie diélectrique, la première portion cylindrique portant en outre une surface annulaire plane, qui fait face au réflecteur primaire et qui fait un angle différent de 90° avec l'axe du réflecteur secondaire. Selon un premier aspect, cet angle est inférieur à 90°. Et de préférence compris entre 70° et 85°.

Selon un deuxième aspect, la première partie diélectrique porte au moins une rainure annulaire. De préférence la première partie diélectrique comporte au moins deux rainures annulaires. Selon un troisième aspect, chacune des portions cylindriques de la seconde partie métallique porte au moins une rainure annulaire. De préférence chacune des portions cylindriques de la seconde partie métallique comporte au moins deux rainures annulaires. Selon une forme d'exécution, la rainure annulaire a une profondeur comprise entre X/5 et X/4, où X est la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande de fréquence de travail de l'antenne.

Selon une autre forme d'exécution, la rainure annulaire a une largeur très inférieure à X, où X est la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande de fréquence de travail de l'antenne.

Selon encore une autre forme d'exécution, la rainure annulaire a un profil en U à fond plat. Selon un quatrième aspect, la portion extérieur au guide d'onde de la première partie diélectrique a un diamètre au plus égal à 2X, où X est la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande de fréquence de travail de l'antenne. Selon un cinquième aspect, la portion extérieure au guide d'onde appartenant à la première partie diélectrique a une longueur d'environ X, où X est la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande de fréquence de travail de l'antenne. L'idée principale est de réaliser le réflecteur secondaire en deux parties pour faciliter la conception et réduire le coût de la pièce en matériau diélectrique. La partie en matériau diélectrique, par exemple un matériau plastique tel que le "Rexolite", est de petite taille et possède un profil spécifique. Cette partie diélectrique relie le guide d'onde rayonnant et le réflecteur secondaire métallique. La conception de cette partie diélectrique est un aspect important de l'invention car il ne s'agit pas seulement d'une partie du réflecteur secondaire mais l'ajout de certaines rainures sur le bord de la partie diélectrique améliore considérablement le diagramme de rayonnement de l'antenne. L'invention a comme avantage de fournir une antenne compacte sans jupe ayant de hautes performances. En outre cette antenne a un dispositif d'alimentation à faible coût, notamment pour les basses fréquences. En effet les dimensions des dispositifs d'alimentation étant proportionnelles à la longueur d'onde, Le volume de ces dispositifs devient important en basses fréquences. En particulier le diamètre du réflecteur secondaire habituellement en matériau diélectrique est grand et rend l'antenne onéreuse. Dans le cas présent la partie diélectrique, bien que toujours dépendant de la longueur d'onde, a un volume plus petit, elle est donc moins chère. La partie réalisée dans un métal massif est en aluminium, matière moins chère que le matériau diélectrique. L'invention s'applique à une antenne utilisée pour les liaisons microondes avec des boîtiers-radio qui regroupent toute la partie électronique active de l'antenne et servent à établir la liaison radio.30 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 illustre schématiquement en coupe une antenne à double réflecteur connue, - la figure 2 illustre en coupe un mode de réalisation d'un réflecteur secondaire, - la figure 3 illustre en perspective arrière un mode de réalisation d'un réflecteur secondaire, - la figure 4 illustre une vue en détail d'une partie du réflecteur secondaire des figures 2 et 3, - la figure 5 illustre le diagramme de rayonnement du réflecteur primaire dans la bande de fréquence à 15GHz en fonction de l'angle de réflexion mesuré par rapport à l'axe de la parabole, - la figure 6 illustre le diagramme du rayonnement dans la bande de fréquence à 15GHz dans le plan horizontal d'une l'antenne en fonction de l'angle d'émission/réception, - la figure 7 illustre les pertes par réflexion dans la bande de fréquence à 15GHz en fonction de la fréquence, Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. La figure 1 illustre une antenne 1 à réflecteur profond et à faible distance focale de type connu comprenant un réflecteur primaire 2 et un réflecteur secondaire 3. L'antenne 1 est alimentée par un guide d'onde 4 qui peut être un tube creux métallique, par exemple en aluminium. Les réflecteurs 2, 3 sont protégés par un radôme 5. Le réflecteur secondaire 3 comporte une première extrémité 6 de moindre rayon réalisant la jonction avec le guide d'onde 4 et une extrémité 7 ouverte de grand rayon où se rejoignent une surface interne 8 convexe, réfléchissante pour le signal RF, et une surface externe 9 reliant les deux extrémités. La surface externe 9 du réflecteur secondaire 3 est la surface placée en regard du réflecteur primaire 2. La surface interne 8 et la surface externe 9 sont des surfaces de révolution autour d'un même axe de révolution. Un corps diélectrique 10 s'étend entre la première et la seconde extrémité, limité par la surface interne 8 et la surface externe 9. Une partie 11 du matériau du corps diélectrique 10 se prolonge pour pénétrer à l'intérieur du guide d'onde 4, afin d'assurer le maintien mécanique et la transition radio-électrique entre le guide d'onde 4 et le réflecteur secondaire 3. Le guide d'onde 4 émet un rayonnement incident en direction du réflecteur secondaire 3 qui est réfléchi vers le réflecteur primaire 2, formant le faisceau principal 12 en direction du récepteur. Cependant une partie du rayonnement incident est renvoyé dans une direction divergente et provoque des pertes par débordement 13. Une autre partie du rayonnement est réfléchi par le réflecteur primaire 2, mais ce rayonnement réfléchi est masqué par le réflecteur secondaire 3 qui le renvoie à nouveau vers le réflecteur primaire 2. Il est alors réfléchi par le réflecteur primaire 2 et renvoyé dans une direction divergente, provoquant des pertes par effet de masque 14. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 2 et 3, le réflecteur secondaire 20 comprend une première extrémité 21 et une seconde extrémité 22 adaptée pour le couplage à l'extrémité d'un guide d'onde 23. Une surface interne 24 convexe est creusée dans la première extrémité 21 ayant un axe de révolution qui est l'axe X-X' du réflecteur 20. Un corps 25 s'étend entre la première extrémité 21 et la seconde extrémité 22. Ce corps 25 est composé de deux parties : une première partie 26 en matériau diélectrique, qui est au moins partiellement insérée dans le guide d'onde 23 et assure la liaison entre le réflecteur secondaire 20 et le guide d'onde 23, et une seconde partie 27 métallique, dans le prolongement de la première partie 26 diélectrique, ayant une surface réfléchissante 28. La première partie 26 diélectrique de forme approximativement conique a un plus grand diamètre D qui est inférieur à celui de la seconde partie 27 métallique. Une réduction significative du coût du matériau diélectrique est obtenue grâce à un volume de la première partie 26 diélectrique réduit, ici d'environ 25%, par rapport à la solution connue antérieure. Le matériau diélectrique utilisé est le "Rexolite" choisit en raison d'une constante diélectrique faible et stable, mais néanmoins de coût élevé. La portion 29 de la première partie 26 diélectrique qui est à l'intérieur du guide d'onde 23 est d'une conception classique et permet d'améliorer la transition du signal entre le mode guidée à l'intérieur du guide d'onde 23 et le signal à l'extérieur du guide d'onde 23. La portion 30 de la première partie 26 diélectrique qui est à l'extérieur du guide d'onde 23 a un diamètre D maximum de 2X, où X est la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande de fonctionnement de l'antenne, et une longueur L d'environ X. La surface extérieure de la portion 30 de la première partie 26 diélectrique, globalement conique, porte trois rainures 31, afin d'obtenir une perte en retour améliorée et les meilleures performances du diagramme de rayonnement. L'extrémité de la première partie 26 diélectrique opposée au guide d'onde 23, soit la base du cône, est accolée à la seconde partie 27 métallique du réflecteur secondaire 20. La seconde partie 27 est constituée d'un métal massif tel que l'aluminium par exemple. La surface 32a, opposée au guide d'onde 23, de la première partie 26 diélectrique est en contact avec une portion 32b de la surface réfléchissante 28 du réflecteur secondaire 20, et elle est de même forme. Le profil de la portion 32b de la surface réfléchissante 28 du réflecteur secondaire 20 a été optimisé au moyen d'une équation polynomiale. La fonction de la surface réfléchissante 28 du réflecteur secondaire 20 est de concentrer sur le réflecteur primaire toute l'énergie provenant du guide d'onde 23 avec un minimum de pertes par débordement. La seconde partie 27 métallique du réflecteur secondaire 20 a une forme comprenant deux portions cylindriques 33 et 34 adjacentes se terminant par une portion conique 35 pénétrant dans la première partie 26 diélectrique. Dans la portion cylindrique 33 de plus grand diamètre qui est contigüe à l'extrémité 21 du réflecteur secondaire 20, on a ménagé au moins une rainure 36 sur la surface cylindrique. Dans la portion cylindrique 34 de plus petit diamètre, on a ménagé au moins une rainure 37 sur la surface cylindrique. Dans le cas présent chacune des portions cylindriques 33, 34 porte deux rainures 36, 37 ayant un profil en U à fond plat et de forme annulaire centrée sur l'axe X-X' du réflecteur 20. La profondeur P des rainures 36, 37 est comprise entre X/5 et X/4, et sa largeur est très petite par rapport à la longueur d'onde X de la fréquence central de la bande de fréquence de travail de l'antenne. Au voisinage de sa jonction avec la portion cylindrique 34 de plus petit diamètre, la portion cylindrique 33 de plus grand diamètre porte une surface annulaire plane 38 qui fait face au réflecteur primaire. Cet anneau plat 38 est disposé à l'intérieur des parois cylindriques de la portion cylindrique 33 comme le montre plus précisément la fiigure 4. Il a une surface plane qui fait un angle f3 avec l'axe X-X' du réflecteur secondaire 20 différent de 90°. Cet angle f3 est de préférence inférieur à 90°, et de préférence encore compris entre 70° et 85°. L'anneau plat 38 fait aussi un angle différent de 90° avec le plan de section de la portion cylindrique 34. Cet angle est calculé pour réfléchir le signal vers le centre 39 du réflecteur primaire 40 parabolique. On peut disposer à cet endroit soit un matériau absorbant afin de capturer cette partie du rayonnement indésirable, soit un moyen géométriquement adapté pour piéger le rayonnement indésirable, ou bien encore on peut y placer un moyen permettant de renvoyer le rayonnement indésirable dans le faisceau rayonnant principal. Les formes décrites et leurs dimensions permettent d'atteindre des performances radioélectriques de très haut niveau comme le montre le diagramme de rayonnement du réflecteur primaire de l'antenne illustré sur la figure 5. Sur la courbe 50 de la figure 5, l'intensité I du rayonnement en dB dans la bande de fréquence à 15GHz est donné en ordonnée en fonction de l'angle de réflexion 0 en degrés en abscisse. L'angle de réflexion 0 est mesuré par rapport à l'axe de la parabole (0 = 0°). Les valeurs -0 et +0 délimitent des zones de pertes par débordement 51 de par et d'autre, et, entre ces deux valeurs, une zone d'effet de masque 52 centrée sur l'axe du réflecteur primaire parabolique. Les zones 42 de pertes par débordement ("spill over" en anglais) correspondent à un angle de réflexion supérieur à 100°. Dans le cas présent on observe que ces pertes par débordement sont faibles, de l'ordre de -12dB au niveau des bords du réflecteur primaire 53.

Le diagramme de rayonnement du réflecteur primaire 50 est excellent : la surface du réflecteur secondaire seule est éclairé ce qui réduit considérablement les pertes par débordement 51, et une valeur de champ 54 faible au centre du réflecteur primaire, permet de réduire l'effet de masque 52. L'effet de masque se produit lorsque des ondes, après une réflexion sur le réflecteur principal, reviennent vers le réflecteur secondaire (voir figure 1). Le résultat final est un gain élevé, une intensité faible des lobes secondaires et un faible niveau du champ sur le bord de l'antenne. Ce dernier point permet d'obtenir une antenne conforme au gabarit de la classe 3 ETSI, sans qu'il soit nécessaire de la munir d'une jupe absorbante, et une valeur faible des pertes par réflexion. En conséquence l'antenne a un coût moindre et elle est plus compacte.

Sur la figure 6, la courbe 60 illustre le diagramme de rayonnement du réflecteur primaire dans le plan horizontal. L'intensité I du rayonnement R en dB dans la bande de fréquence à 15GHz est donnée en ordonnée en fonction de l'angle d'émission/réception a en degrés donné en abscisse. La courbe 61 de référence représente le profil standard (ETSI) et les zones 62 correspondent aux lobes latéraux.

Les valeurs du diagramme de rayonnement restent dans le cadre des valeurs maximales autorisées par le gabarit de la classe 3 ETSI.

La figure 7 illustre la perte de rayonnement par réflexion ("return loss" en anglais) d'un réflecteur secondaire dans la bande de fréquence à 15GHz en fonction de la fréquence de l'onde émise ou reçue. L'intensité du paramètre [S] en dB est donnée en ordonnée et en abscisse la fréquence y en GHz. Une perte par réflexion inférieure à -35dB est observée sur la plus grande partie de la courbe 70. Une faible valeur de perte par réflexion est donc observée sur une large partie de la bande de fréquence. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. En particulier on pourra utiliser d'autres matériaux que ceux décrit ici pour réaliser les parties métallique et diélectrique du réflecteur secondaire.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1. Réflecteur secondaire d'antenne à double réflecteur comprenant - une première extrémité (21) comprenant une surface interne convexe (24), une seconde extrémité (22) adaptée pour le couplage à l'extrémité d'un guide d'onde (23), et - un corps (25) s'étendant entre la première extrémité (21) et la seconde extrémité (22), caractérisé en ce que le corps (25) comprend - une première partie diélectrique (26) ayant une portion (29) pénétrant dans le guide d'onde (23) et une portion (30) extérieur au guide d'onde (23), et - une seconde partie métallique (27) comprenant une première portion cylindrique (33), contigûe à la première extrémité (21) du réflecteur secondaire (20) et de diamètre supérieur à la portion (30) extérieure au guide d'onde (23) de la première partie diélectrique (26), et une deuxième portion cylindrique (34), adjacente à la première portion cylindrique (33), se prolongeant par une portion conique (35) qui pénètre dans la première partie (26) diélectrique, la première portion cylindrique (33) portant en outre une surface annulaire plane (38), qui fait face au réflecteur primaire et qui fait un angle (3 différent de 90° avec l'axe (X-X') du réflecteur secondaire (20).2. 3. 4. 5. Réflecteur secondaire selon la revendication 1, dans lequel l'angle est inférieur à 90°. Réflecteur secondaire selon la revendication 2, dans lequel l'angle 13 est compris entre 70° et 85°. Réflecteur secondaire selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première partie diélectrique (26) porte au moins une rainure (31) annulaire. Réflecteur secondaire selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chacune des portions cylindriques (33, 34) de la seconde partie métallique (27) porte au moins une rainure (36, 37) annulaire. 6. 7. 8. 9. 10. Réflecteur secondaire selon la revendication 5, dans lequel chacune des portions cylindriques (33, 34) de la seconde partie métallique (27) comporte au moins deux rainures (36, 37) annulaires Réflecteur secondaire selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel la rainure annulaire a une profondeur (P) comprise entre 2/5 et X14, où X est la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande de fréquence de travail de l'antenne. Réflecteur secondaire selon l'une des revendications 4 à 7, dans lequel la rainure annulaire a une largeur (L) inférieure à X, où X est la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande de fréquence de travail de l'antenne. Réflecteur secondaire selon l'une des revendications 4 à 8, dans lequel la rainure annulaire a un profil en U à fond plat. Réflecteur secondaire selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la portion (30) extérieur au guide d'onde (23) de la première partie diélectrique (26) a un diamètre (D) au plus égal à 21, où I est la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande de fréquence de travail de l'antenne.