WO2000030215A1 - Reflecteur dielectrique stratifie pour antenne parabolique - Google Patents

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WO2000030215A1
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blades
reflector
dielectric
permittivity
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Alain Reineix
Marc Thevenot
Bernard Jecko
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
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    • H01Q19/132—Horn reflector antennas; Off-set feeding

Definitions

  • the present invention relates to the field of satellite dishes.
  • the parabolic reflectors commonly used today are formed of structures either entirely metallic, or provided with a metallization which serves as a reflecting surface.
  • the object of the present invention is to propose a new parabolic antenna which makes it possible to eliminate the drawbacks of the prior art.
  • This object is achieved according to the present invention, thanks to a reflector consisting of n contiguous strips of dielectric material, defined by n + 1 surfaces of distinct parabolic equations shaped to define a common electromagnetic focus.
  • each blade is a piece of homogeneous dielectric (plastic, ceramic, air, etc.) with a dielectric constant ⁇ greater than or equal to 1 and having low losses.
  • These blades can either be stacked by simple juxtaposition and held by an external crimping, or glued against each other.
  • all the blades are delimited by the same outline.
  • the useful frequency bandwidth depends on the choice of materials and the number of blades, - it can offer very low losses, even at very high frequencies, and
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a laminated dielectric reflector according to the present invention
  • FIG. 2 schematically illustrates a parabolic contour surface, in an orthonormal reference frame for the definition of a paraboloid equation
  • FIG. 3 schematically illustrates the directivity of a cylindrical reflector according to the present invention
  • FIG. 4 schematically illustrates the directivity of a rectangular contour reflector according to the present invention
  • FIG. 9 represents a particular embodiment of stacking of blades in accordance with the present invention
  • FIG. 10 represents the modulus of the reflection coefficient, as a function of frequency, for this stacking
  • FIGS. 11 and 12 schematically illustrate respectively a reflector with a centered focus and a reflector with an off-center focus
  • FIG. 13 represents the theoretical directivity of a dielectric reflector according to the present invention
  • FIG. 14 represents the directivity measured on a dielectric reflector according to the present invention.
  • FIG. 15 shows schematically a dual-band antenna.
  • a reflector according to the present invention, consisting of n contiguous strips referenced 1, 2, 3 ... n-1, n, made of dielectric material, each defined by two parabolic surfaces.
  • the stack of n blades defines n + 1 surfaces of parabolic equations Si, S 2 ... S ( ... S n , S hinder+ ⁇ .
  • Each plate has a respective dielectric constant ⁇ i, ⁇ 2 , ⁇ 3 ... ⁇ n .
  • each strip 1 to n is a homogeneous piece of dielectric, for example plastic, ceramic, air, etc. having a dielectric constant ⁇ greater than or equal to 1 and having low losses.
  • Figure 1 is symbolized under the reference Se an external crimp capable of maintaining by simple juxtaposition the stack of blades thus formed. Alternatively, one can consider gluing said blades against each other.
  • contour C can be the subject of numerous variants.
  • the strips of dielectric material making up the reflector according to the present invention may have a rectangular or circular outline.
  • the dimensions of the blades, the materials which constitute them and the relative positioning of each of these blades are preferably chosen on the basis of the following elements, so as to present, in a given frequency band, the properties of an excellent reflector .
  • the surfaces of the blades 1 to n coincide with paraboloids and their relative positions are identified by the position of the focus of each of the paraboloids.
  • the juxtaposition of the dielectric plates which make up the reflector is then defined by the set of focal point-focal distance couples (I ,, f,) Each of these two parameters depends on the operating frequency of the reflector and on the permittivity ⁇ , of each dielectric strip
  • the reflector can be defined on the basis of the following parameters
  • the directivity of the uniformly illuminated reflector is directly connected to the projected surface S of the reflector (or section of the envelope cylinder) and defined by the following relation
  • the dimensions of the reflector will be fixed according to the desired directivity by applying the previous formulas.
  • the standard radiation pattern can be checked based on the following items.
  • the normalized radiation diagram corresponds to the spatial Fourier transform of the geometry of the opening.
  • the quality of the reflector is essentially defined by the number of blades composing it.
  • the number of plates depends on the contrast of the permittivities &, between the directly neighboring plates.
  • the operating frequency associated with the knowledge of the permittivities ⁇ i makes it possible to determine the distance ⁇ j which separates the two faces Si and S i + ⁇ of each plate. This distance is taken on the axis h, Pi which passes through the focal point I-, and the vertex Pi of the parabolic surface considered.
  • the determination of the focus position and the focal distance for each surface can be determined based on the following
  • R ma represents the greatest distance between the axis I ,, P, and the contour of the blades
  • the f are the only parameters missing at this stage of the design since the positions of the foci I, are a function of the e, and of the f. A very good compromise to avoid too many calculations is to take the same section for all the blades
  • Each blade is characterized by its thickness e, given on the axis of revolution of the system, by the focal distance f, defining the surface concave parabolic S, - of the blade and by the convex parabolic surface S, - + 1 of focal length +1.
  • This operation is done gradually, interface by interface, starting with the blade closest to the focus.
  • the choice of the first focal length f1 associated with the surface S1 imposes the focal length of the dielectric reflector. That is to say that the focus of the complete reflector coincides with the focus of the first interface S1.
  • the method consists in calculating the wave impedance brought back to the level of the first interface Si.
  • the calculation must be carried out in the space of complex numbers.
  • To start the resolution we bring the effect of the last blade n to the level of the interface n.
  • the result provides the impedance seen by the electromagnetic wave at the interface n.
  • the reasoning is repeated to determine the impedance seen at the interface n-1 and this until the impedance is known on the first interface Si.
  • the next step follows the same reasoning. This involves removing the interface between z 2 and z e3 and replacing the plate 2 with a medium of impedance z e2 (see Figure 7).
  • the reflection coefficient is known in module and in phase and the frequency band usable for the reflector can then be assessed.
  • FIG. 9 There is shown schematically in FIG. 9 an example of association of blades having different dielectric constants.
  • FIG. 9 corresponds to a structure comprising:
  • the modulus of the reflection coefficient obtained by calculation on the basis of this structure is illustrated in FIG. 10.
  • a parabolic reflector used in reception concentrates at the focal point the incident energy which comes from its pointing direction (direction of the axis ( ⁇ u Pj)).
  • the center focus reflectors There are, however, two families: the center focus reflectors and the center focus reflectors.
  • the focal point is in the path of the incident wave, as illustrated in FIG. 11. This means that the electromagnetic energy reception system shadows the incident beam.
  • An additional simplification may consist in using air as a dielectric, which ultimately amounts to using only one solid material constituting the second alternating dielectric.
  • the permittivity contrast between ⁇ i and ⁇ 2 becomes less important and the number of layers required increases.
  • the reflector obtained operates around 40 GHz.
  • the directivity curves illustrated in FIG. 13 are indicated as a function of the frequency.
  • the inventors also produced another parabolic reflector using blades made of a single material alternated with air interfaces.
  • the inventors have in particular produced reflectors comprising 7 identical blades of ⁇ r alternated with air blades.
  • the theoretical directivity curve of this reflector as a function of the frequency and the real directivity curve measured always as a function of the frequency are illustrated in FIG. 14.
  • the useful frequency bandwidth around f 0 can be adjusted by an appropriate choice of the materials used
  • a defect can be formed by the addition in a stack of blades respecting a given periodicity, of a separate blade (or of several blades) specific (s) not respecting the same periodicity, or of the absence one (or more) blade (s) in the periodicity.
  • Such a break in one or more places, in the periodicity of the stack makes it possible to create frequency bands, in the reflection band of the reflector, for which the energy passes through the structure and no longer reaches the focus.
  • the device can respond in two completely different ways for two neighboring frequencies: to be transparent for the first and to concentrate the energy at the focus for the second.
  • the dielectric blades can be obtained by molding of plastic material, which means a low manufacturing cost.
  • Such a system is intended to operate in the vicinity of a frequency of 75 GHz.
  • the feasibility of a dielectric reflector made with materials having permittivities close to common plastics has been considered.
  • the diameter of the reflector is of the order of 80mm.
  • a focal length f1 0.04m has been chosen arbitrarily.
  • the present invention is not limited to this focal distance or to the pairs of permittivities ( ⁇ i, ⁇ 2 ) indicated.
  • TV reception is at 12 GHz.
  • the first group of dielectric plates reflects and concentrates the electromagnetic energy contained in the first useful frequency band and the second group of plates concentrates the energy contained in the second frequency band.
  • the diameter of the reflector is around 180cm.
  • the choice of ⁇ i, ⁇ 2 and focal lengths can be adapted to the desired working frequency bands and to the materials available. Such a reflector can meet the following characteristics:
  • one of the materials used can have electrical characteristics (permittivity, permeability) which vary and depend on an external source.
  • the reflective operating frequency band of the reflector will then be dependent on the level of the source applied.
  • the operating band in reflection and the bands in transmission are then controllable.
  • E-2, E-3, E-4 denote respectively 10 "2 m, 10 " 3 m and 10 "4 m.
  • the respective geometric focal points distinct from the various parabolic surfaces involved are not confused with the electromagnetic focal point, that is to say the focal point at which a beam arriving on the reflector with an incidence parallel to the axis of the reflector.
  • the electromagnetic focus of the reflector is coincident with the geometric focus of the first concave parabolic surface.
  • the offset between the electromagnetic focus and the geometric foci of the following parabolic surfaces results from the fact that the waves reflected on these following interfaces do not reach the respective geometric focus of each of these interfaces, but the common electromagnetic focus because these waves undergo the cumulative effect of the previous blades crossed back and forth.

Abstract

La présente invention concerne un réflecteur formant antenne parabolique caractérisé par le fait qu'il est constitué de n lames jointives en matériau diélectrique définies par n+1 surfaces d'équations paraboliques distinctes conformées pour définir un foyer électromagnétique commun.

Description

REFLECTEUR DIELECTRIQUE STRATIFIE POUR ANTENNE PARABOLIQUE
La présente invention concerne le domaine des antennes paraboliques. A la connaissance des inventeurs, les réflecteurs paraboliques couramment utilisés de nos jours sont formés de structures soit entièrement métalliques, soit munies d'une metallisation qui sert de surface réfléchissante.
Ces réflecteurs ont certes rendu de grands services. Cependant, ils présentent les particularités suivantes :
- perte métallique,
- absence de réflexion sélective en fréquence,
- esthétique discutable,
- fabrication non triviale, - déformation avec la température.
On a tenté de réaliser des structures réflectrices, y compris des réflecteurs paraboliques, à base d'un empilement de lames diélectriques (voir le document DE-A-3601553). Cependant pour l'instant les tentatives basées sur ce type de technologie, n'ont pas donné satisfaction. La présente invention a pour but de proposer une nouvelle antenne parabolique qui permette d'éliminer les inconvénients de la technique antérieure.
Ce but est atteint selon la présente invention, grâce à un réflecteur constitué de n lames jointives en matériau diélectrique, définies par n+1 surfaces d'équations paraboliques distinctes conformées pour définir un foyer électromagnétique commun.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, chaque lame est un morceau de diélectrique homogène (plastique, céramique, air, etc..) de constante diélectrique ε supérieure ou égale à 1 et présentant de faibles pertes. Ces lames peuvent être soit empilées par simple juxtaposition et maintenues par un sertissage extérieur, soit collées les unes contre les autres.
De préférence, toutes les lames sont délimitées par le même contour.
Les inventeurs ont déterminé qu'un tel réflecteur, lorsqu'il est correctement agencé, a les propriétés suivantes :
- il réfléchit l'énergie électromagnétique et la concentre en un foyer,
- il fonctionne au voisinage d'une fréquence fixée prédéterminée, - il ne réfléchit pas tes ondes électromagnétiques qui ne correspondent pas aux fréquences de fonctionnement (le réflecteur assure ainsi une fonction de filtrage),
- la largeur de bande de fréquence utile dépend du choix des matériaux et du nombre de lames, - il peut offrir de très faibles pertes, même aux très hautes fréquences, et
- il est entièrement constitué de matériaux diélectriques transparents aux ondes électromagnétiques.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un réflecteur diélectrique stratifié conforme à la présente invention, - la figure 2 illustre schématiquement une surface de contour parabolique, dans un repère orthonormé en vue de la définition d'une équation de paraboloïde,
- la figure 3 illustre schématiquement la directivité d'un réflecteur cylindrique conforme à la présente invention, - la figure 4 illustre schématiquement la directivité d'un réflecteur de contour rectangulaire conforme à la présente invention,
- les figures 5, 6, 7 et 8 représentent schématiquement quatre variantes d'empilement de lames pour illustrer la détermination de la bande utile et du coefficient de réflexion sur un réflecteur parabolique conforme à la présente invention,
- la figure 9 représente un mode de réalisation particulier d'empilement de lames conforme à la présente invention, - la figure 10 représente le module du coefficient de réflexion, en fonction de la fréquence, pour cet empilement,
- les figures 11 et 12 illustrent schématiquement respectivement un réflecteur à foyer centré et un réflecteur à foyer décentré,
- la figure 13 représente la directivité théorique d'un réflecteur diélectrique conforme à la présente invention,
- la figure 14 représente la directivité mesurée sur un réflecteur diélectrique conforme à la présente invention, et
- la figure 15 représente schématiquement une antenne bi-bande. On aperçoit sur la figure 1 annexée un réflecteur conforme à la présente invention, constitué de n lames jointives référencées 1 , 2, 3 ... n-1 , n, en matériau diélectrique, définies chacune par deux surfaces paraboliques. Ainsi l'empilement de n lames définit n+1 surfaces d'équations paraboliques Si, S2 ... S( ... Sn, S„+ι. Sur la figure 1 on a référencé e^ e2, e3 etc.. l'épaisseur au centre des n lames. Cette épaisseur e peut être variable d'une lame à l'autre. Elle peut aussi varier, pour une lame, entre son centre et sa périphérie.
Le contour du réflecteur formé par cet empilement de n lames est référencé C.
Chaque lame possède une constante diélectrique respective εi, ε2, ε3 ... εn.
Dans le cadre de l'invention, chaque lame 1 à n est un morceau de diélectrique homogène, par exemple du plastique, de la céramique, de l'air, etc.. possédant une constante diélectrique ε supérieure ou égale à 1 et présentant de faibles pertes. Sur la figure 1 on a symbolisé sous la référence Se un sertissage extérieur apte à maintenir par simple juxtaposition l'empilement de lames ainsi formé. En variante, on peut envisager de coller lesdites lames les unes contre les autres.
De préférence, comme on l'a indiqué précédemment, dans le cadre de la présente invention toutes les lames 1 à n sont délimitées par le même contour C.
En pratique, ce contour C peut faire l'objet de nombreuses variantes.
A titre d'exemples non limitatifs, mais préférentiels, les lames de matériau diélectrique composant le réflecteur conforme à la présente invention peuvent posséder un contour rectangulaire ou circulaire. Les dimensions des lames, les matériaux qui les constituent et le positionnement relatif de chacune de ces lames sont choisis de préférence sur la base des éléments qui suivent, de façon à présenter, dans une bande de fréquences donnée, les propriétés d'un excellent réflecteur.
Les surfaces des lames 1 à n coïncident avec des paraboloïdes et leurs positions relatives sont repérées par la position du foyer de chacun des paraboloïdes.
Pour décrire les surfaces qui délimitent les lames diélectriques et la position relative de chacune de ces surfaces S,, l'équation des paraboloïdes qui fait intervenir le foyer I, et la distance focale f, est nécessaire.
L'équation de chaque paraboloïde s'obtient par la relation vectorielle suivante :
Figure imgf000006_0001
dans laquelle P, est le sommet du paraboloïde S,. Après projection de cette relation dans un repère cartésien comme illustré sur la figure 2 pour lequel l'axe Z est parallèle à l'axe reliant le sommet du paraboloïde et le foyer de celui-ci, la surface du paraboloïde est définie par l'équation •
(x-x,)2 + (y-y,)2 = 4f,(f,+z-z,) La surface Si est formée par la portion de paraboloïde intérieure au cylindre entourant les lames Elles sont délimitées par le contour C
La juxtaposition des lames diélectriques qui composent le réflecteur est alors définie par l'ensemble des couples foyer-distance focale (I,, f,) Chacun de ces deux paramètres dépend de la fréquence de fonctionnement du réflecteur et de la permittivité ε, de chaque lame diélectrique
Pour le positionnement de chacune des surfaces paraboloidales, l'axe (I,, P,) qui passe par le foyer I, et par le sommet P, de la surface S, est commun aux n+1 surfaces paraboliques qui composent le réflecteur C'est- à-dire que tous les points I, et P, sont alignés quel que soit ι=1 à ι=n+1
Plus précisément encore, le réflecteur peut être défini sur la base des paramètres suivants
- directivité désirée et section de l'enveloppe cylindrique qui définit le contour des lames diélectriques,
- diagramme de rayonnement,
- matériaux (différents ε,) disponibles pour construire le système,
- fréquence des signaux électromagnétiques à réfléchir,
- largeur de bande utile autour de la fréquence centrale de fonctionnement du réflecteur
La directivité du réflecteur illuminé de façon uniforme est directement reliée à la surface S projetée du réflecteur (ou section du cylindre enveloppe) et définie par la relation suivante
4π
D = — - S λ2 dans laquelle λ représente la longueur d'onde
Dans le cas où le cylindre qui contient le réflecteur a une section rectangulaire de dimensions Lx et Ly, la directivité théorique du réflecteur illuminé de façon uniforme en négligeant toutes les pertes est définie par la relation 4π D =-^r xLy
dans laquelle λ représente la longueur d'onde.
Lorsque le cylindre qui contient le réflecteur est au contraire un cercle de rayon R, la directivité théorique du réflecteur illuminé de façon uniforme en négligeant toutes les pertes peut être définie par la relation :
4π D =— — (πR2) λ2 dans laquelle λ représente la longueur d'onde.
Les dimensions du réflecteur seront fixées en fonction de la directivité désirée en appliquant les formules précédentes. Le diagramme de rayonnement normalisé peut être contrôlé sur la base des éléments suivants.
Cette caractéristique répond aux lois des ouvertures rayonnantes. Pour une enveloppe cylindrique de forme rectangulaire dont les côtés mesurent Lx et Ly, le diagramme de rayonnement normalisé pour une ouverture rectangulaire s'exprime par la relation :
( π Lx sin sin (θ) cos (φ) •sin (θ) sin(φ) λ ) "& ) f(θ, Φ) =-
IL !_ *% I—
— — sin (θ) cos (Φ) -^-*-sin (θ) sin(φ) λ λ dans laquelle θ mesure l'angle depuis l'axe (Oz) du cylindre et φ l'angle contenu dans le plan (O, x, y) de l'ouverture ayant pour origine l'axe (Ox) (voir figure 4).
Lorsque l'enveloppe cylindrique est un cercle de rayon R, le diagramme de rayonnement normalisé pour une ouverture circulaire éclairée de façon uniforme est donné par la loi suivante : 2 R Sin(θ) ) f(θ, Φ ) =2πR2 2 π R sin(θ) λ où Jι représente la fonction de Bessel de rang 1 et θ mesure l'angle depuis l'axe Oz du cylindre (voir figure 3).
Dans le cas général, pour un éclairement uniforme, le diagramme de rayonnement normalisé correspond à la transformée de Fourier spatiale de la géométrie de l'ouverture.
La qualité du réflecteur est définie essentiellement par le nombre de lames composant celui-ci.
Pour atteindre un pouvoir de réflexion imposé par le cahier des charges à la fréquence centrale d'utilisation du réflecteur, le nombre de lames dépend du contraste des permittivités &, entre les lames directement voisines.
La loi de variation de l'épaisseur d'une lame en fonction de la permittivité suit une évolution en M^J On déduit qu'un choix de forts ε permettra de diminuer la profondeur du réflecteur. En contrepartie, l'utilisation de petites permittivités permettra d'augmenter l'épaisseur e, des lames, ce qui pourra dans certains cas favoriser la réalisation (moulage, usinage...).
La fréquence de fonctionnement, associée à la connaissance des permittivités εi permet de déterminer la distance βj qui sépare les deux faces Si et Si+ι de chaque lame. Cette distance est prise sur l'axe h, Pi qui passe par le foyer I-, et le sommet Pi de la surface parabolique considérée.
Pour une fréquence de fonctionnement centrée sur une valeur f0 (en Hertz), la valeur de la distance e-, se calcule en mètres sur la base de la relation[:
3.108 ei =
4f0 Λ/S, La connaissance de la distance e, de chaque lame permet de positionner les sommets Pi des paraboloïdes les uns par rapport aux autres
La détermination de la position du foyer et de la distance focale pour chaque surface peut être déterminée sur la base des éléments suivants
Afin d'offrir des propriétés de réflexion satisfaisantes, un tel réflecteur exige que l'incidence des ondes électromagnétiques soit proche de l'incidence normale
On choisira en général la première distance focale f|, telle que l'angle θ formé par le front d'onde incident et la tangente à la surface Si reste inférieur à 20 degrés C'est sur le plus grand diamètre du paraboloïde que θ sera le plus important
On obtient alors
R, max fι =
2tanθι - dans laquelle Rma représente la plus grande distance entre l'axe I,, P, et le contour des lames
Les paramètres des surfaces suivantes sont déterminés successivement Pour cela, il est souhaitable de s'aider d'un outil numérique de simulation électromagnétique, (basé par exemple sur les différences finies temporelles) et de chercher la distance focale à affecter à chaque surface
Les f, sont les seuls paramètres manquant à ce stade de la conception puisque les positions des foyers I, sont fonction des e, et des f. Un très bon compromis pour éviter trop de calculs consiste à prendre la même section pour toutes les lames
Plus précisément encore, la détermination des longueurs focale f, de chaque surface parabolique S„ en vue de l'obtention d'un foyer électromagnétique commun et unique est de préférence opérée comme
Chaque lame est caractérisée par son épaisseur e, donnée sur l'axe de révolution du système, par la distance focale f, définissant la surface parabolique concave S,- de la lame et par la surface parabolique convexe S,-+1 de longueur focale +1.
Pour étudier le réflecteur diélectrique, l'on considère la propagation dans un plan de symétrie du réflecteur. Plus précisément, l'axe des paraboles doit être contenu dans le plan d'étude. L'on recherche les longueurs focales des différentes interfaces paraboliques qui vont permettre de concentrer un maximum d'énergie électromagnétique au foyer commun du réflecteur.
Cette opération se fait progressivement, interface par interface en commençant par la lame la plus près du foyer.
Le choix de la première longueur focale f1 associée à la surface S1 impose la longueur focale du réflecteur diélectrique. C'est à dire que le foyer du réflecteur complet est confondu avec le foyer de la première interface S1. Pour chercher le profil parabolique de la seconde interface, on associe à la surface S2 des conditions de réflexion totale.
On fait varier f2 pour chercher à concentrer tout le signal diffracté au point focal supposé. Pour obtenir f3 on remplace S3 par un mur électrique et ainsi de suite jusqu'à avoir déterminé toutes les longueurs focales.
Dans l'état actuel des connaissances, il n'est généralement pas possible de connaître à priori la bande de fréquence utile autour de la fréquence centrale f0. Cette bande peut néanmoins être évaluée pour n'importe quel type de structure par une méthode numérique très facile à mettre en œuvre.
La méthode consiste à calculer l'impédance d'onde ramenée au niveau de la première interface Si. Le calcul doit être réalisé dans l'espace des nombres complexes. Pour débuter la résolution, on ramène l'effet de la dernière lame n au niveau de l'interface n. Le résultat fournit l'impédance vue par l'onde électromagnétique au niveau de l'interface n. Le raisonnement est réitéré pour déterminer l'impédance vue au niveau de l'interface n-1 et ceci jusqu'à ce que l'impédance soit connue sur la première interface Si.
Supposons un empilement de trois lames z1 ; z2 et z3 d'épaisseur respective L1 f L2 et L3 situées entre deux milieux z0, z4 transversalement à une onde incidente comme illustré sur la figure 5, l'impédance d'onde est donnée par :
377 Z =
^7
On va supprimer la dernière interface entre z3 et z4 et remplacer la lame 3 par un milieu d'impédance ze3 (voir figure 6). On obtient alors :
2πf
Z4 4 + j.Z, 3.tan( \ 3 1 ()8 .L33 . ε33~2)
Ze3=Z3
2πf
Z3 + j.Z4.tan( -L3. ε3-2) 3.108
L'étape suivante suit le même raisonnement. Il s'agit de supprimer l'interface entre z2 et ze3 et remplacer la lame 2 par un milieu d'impédance ze2 (voir figure 7).
On obtient alors :
Figure imgf000012_0001
Z2 + j.Ze3.tan( . L2 ~2)
3.108 "
L'opération est répétée jusqu'à ce que les lames soient remplacées par une seule interface séparant le milieu incident (en général l'air) et un milieu infini d'impédance équivalente ze1 (voir figure 8). On a alors :
Zβ2 + j.Z1.tan(-H≤— ^. ε,-2) 3.108
Zβι=Zι
Zl + J"Ze2'tan( 3^Ô8" ' Ll 'ε i"2)
Lorsque l'impédance du milieu stratifié est ramenée au niveau de la première interface, on peut calculer le coefficient de réflexion en incidence normale sur la base de la relation :
Figure imgf000013_0001
Le coefficient de réflexion est connu en module et en phase et la bande de fréquences utilisable pour le réflecteur peut alors être appréciée.
On a représenté schématiquement sur la figure 9 un exemple d'association de lames présentant des constantes diélectriques différentes.
Plus précisément, l'exemple illustré sur la figure 9 correspond à une structure comprenant :
- un milieu incident formé d'air possédant une constante diélectrique ε égale à 1 , - une première lame de 2 mm d'épaisseur et ayant une constante diélectrique ε égale à 9.,
- une deuxième lame ayant une épaisseur de 3 mm et une constante diélectrique ε égale à 4,
- une troisième lame de 2 mm d'épaisseur, ayant une constante diélectrique ε égale à 9,
- une quatrième lame de 3 mm d'épaisseur ayant une constante diélectrique ε égale à 4,
- une cinquième lame de 2 mm d'épaisseur ayant une constante diélectrique ε égale à 9, et - un milieu environnant constitué d'air ε égal à 1.
Le module du coefficient de réflexion obtenu par calcul sur la base de cette structure est illustré sur la figure 10.
L'homme de l'art sait qu'un réflecteur parabolique utilisé en réception concentre au point focal l'énergie incidente qui provient de sa direction de pointage (direction de l'axe (\u Pj)).
Ce principe reste identique pour tous les types de réflecteurs paraboliques.
On peut néanmoins distinguer deux familles : les réflecteurs à foyer centré et les réflecteurs à foyer décentré. Pour un réflecteur à foyer centré, le foyer se trouve sur le trajet de l'onde incidente, comme illustré sur la figure 11. Ceci signifie que le système de réception de l'énergie électromagnétique fait de l'ombre au faisceau incident.
Au contraire, dans le cas des réflecteurs à foyer décentré, la surface utile du réflecteur n'est plus en aplomb direct du foyer. L'antenne de réception située au foyer ne perturbe donc plus le champ incident.
Pour cette raison, dans le cadre de la présente invention, on préfère utiliser des réflecteurs à foyer décentré.
Dans le cadre de la présente invention, il est possible de concevoir un réflecteur possédant seulement deux types de diélectriques.
Une simplification supplémentaire peut consister à utiliser l'air comme diélectrique, ce qui revient finalement à n'utiliser qu'un seul matériau solide constituant le second diélectrique alterné.
Dans ce cas, le réflecteur est composé d'une alternance de lames de diélectrique εi et d'air ε2 =1.
Le nombre minimum de lames diélectriques nécessaires pour obtenir un coefficient de réflexion proche de 100% dans la bande utile du réflecteur est donné par le tableau suivant :
Figure imgf000014_0001
Si le diélectrique intermédiaire n'est pas de l'air (ε2≠1 ), le contraste de permittivité entre εi et ε2 devient moins important et le nombre de couches nécessaires augmente.
Les inventeurs ont en particulier réalisé un réflecteur parabolique à foyer centré contenu dans un cylindre de section circulaire de 16 cm de diamètre avec un diélectrique εi = εr = 2,5 et des surfaces calculées par simulation numérique avec un code de calcul utilisant la méthode des différences finies temporelles. Le réflecteur obtenu fonctionne autour de 40 GHz. On a illustré sur la figure 13 annexée la directivité théorique de ce réflecteur parabolique en matériau diélectrique conforme à la présente invention en traits continus et sur ta même figure on a illustré en traits interrompus la courbe théorique de directivité d'un réflecteur parabolique métallique de même distance focale et ayant le même rayon r=8 cm.
Les courbes de directivité illustrées sur la figure 13 sont indiquées en fonction de la fréquence.
Les inventeurs ont également réalisé un autre réflecteur parabolique en utilisant des lames constituées d'un matériau unique alterné avec des interfaces d'air. Les lames diélectriques en question possédaient une constante diélectrique εr = 2,38. Seulement deux surfaces paraboliques ont été définies Si et S2. Comme indiqué précédemment, ces lames identiques εr = 2,38 ont été superposées en alternance avec des lames d'air. Les inventeurs ont en particulier réalisé des réflecteurs comportant 7 lames identiques de εr alternées avec des lames d'air.
Ce réflecteur a également été conçu pour travailler autour de 40 GHz et ses dimensions et la forme de son contour sont identiques à l'exemple précédent, c'est-à-dire cylindrique circulaire de diamètre D=16 cm. La courbe de directivité théorique de ce réflecteur en fonction de la fréquence et la courbe de directivité réelle mesurée toujours en fonction de la fréquence sont illustrées sur la figure 14.
On peut noter sur cette courbe de directivité en fonction de la fréquence que le pouvoir de réflexion oscille légèrement (1 dB) dans la bande de fréquence utile.
La différence d'environ 2 dB entre la théorie et la mesure peut être attribuée à l'influence de la zone d'ombre du cornet de réception situé au foyer du réflecteur.
Dans le calcul théorique de la directivité, cette zone d'ombre n'a pas été considérée. En définitive, les inventeurs ont constaté que les réflecteurs diélectriques stratifiés ainsi obtenus présentent notamment les avantages techniques suivants :
- ces types de réflecteurs fonctionnent autour d'une fréquence f0 prédéfinie lors de la conception,
- la largeur de bande fréquentielle utile autour de f0 peut être ajustée par un choix approprié des matériaux utilisés,
- l'utilisation de matériaux à faibles pertes diélectriques permet d'envisager des réflecteurs fonctionnant à des fréquences très élevées, - en dehors de la bande utile, le réflecteur reste transparent aux ondes électromagnétiques. Cette propriété peut être utilisée pour résoudre des problèmes de compatibilité, de découplage d'antenne ou de furtivité électromagnétique,
- les tolérances d'usinage sont moins sévères pour ces réflecteurs que pour les paraboles métalliques,
- on peut envisager d'introduire un ou plusieurs défaut(s) dans le matériau, afin de rompre la périodicité diélectrique. Cela peut permettre de créer un pic de transmission dans la bande des fréquences initialement réfléchies par le réflecteur. Cette particularité peut permettre de repousser d'éventuels parasites électromagnétiques. Un tel défaut peut être formé par l'adjonction dans un empilement de lames respectant une périodicité donnée, d'une lame (ou de plusieurs lames) spécifique(s) distincte(s) ne respectant pas la même périodicité, ou de l'absence d'une (ou de plusieurs) lame(s) dans la périodicité. Une telle rupture en un ou plusieurs endroits, de la périodicité de l'empilement, permet de créer des bandes de fréquence, dans la bande de réflexion du réflecteur, pour lesquelles l'énergie traverse la structure et ne parvient plus au foyer. Un tel agencement assure à l'ensemble une fonction de filtrage fréquentiel et éventuellement spatial. Ainsi le dispositif peut répondre de deux façons totalement différentes pour deux fréquences voisines : être transparent pour la première et concentrer l'énergie au foyer pour la seconde. On notera par ailleurs que dans le cas d'une réalisation industrielle, les lames diélectriques peuvent être obtenues par moulage de matière plastique, ce qui signifie un faible coût de fabrication.
En outre en utilisation, le choix de matériau à très faible perte diélectrique peut permettre d'améliorer les rendements des systèmes aux fréquences où les pertes métalliques des réflecteurs classiques deviennent importantes.
On va maintenant décrire des exemples particuliers de réalisation de réflecteurs conformes à la présente invention, à base de lames diélectriques, constituées d'un même matériau, toutes identiques, a) Réflecteur pour radar anti-collision pour automobile.
Un tel système est prévu pour fonctionner au voisinage de fréquence 75GHz. Pour des raisons économiques il a été envisagé la faisabilité d'un réflecteur diélectrique réalisé avec des matériaux ayant des permittivités proches des matières plastiques d'usage courant. Pour de telles fréquences, le diamètre du réflecteur est de l'ordre de 80mm. De plus, les exemples proposés considèrent les lames de permittivité ε^ toutes identiques. - Premier exemple :
Figure imgf000017_0001
et ε2=1 (7 lames de εi et 6 lames d'air).
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000018_0001
Pour ces deux exemples, il a été choisi arbitrairement une distance focale f1 =0.04m. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée à cette distance focale ou aux couples de permittivités (εi, ε2) indiqués. b) Parabole pour réception TV.
La réception TV se fait à 12 GHz. Un exemple de parabole diélectrique est proposé avec 7 lames identiques composées d'un matériau de permittivité ει=2.4. Ces lames sont alternées par 6 lames d'air (ε2=1 ). La distance focale a été arbitrairement chosie f1 =40cm. D'autres grandeurs de f1 , de εi et de ε sont envisageables.
Figure imgf000019_0001
c) Réflecteur parabolique pour antenne bi-bande.
Pour un système devant focaliser de l'énergie électromagnétique pour deux bandes de fréquence séparées, il peut être envisagé de superposer deux systèmes conçus pour fonctionner à des fréquences différentes, comme on l'a schématisé sur la figure 15.
Il est ainsi possible de réaliser un réflecteur conforme à la présente invention avec deux modes de fonctionnement. Un tel type de réflecteur peut être constitué pour fonctionner par exemple autour de freq1 =4GHz et freq2=5.6GHz.
Il peut être composé de deux groupes de six lames diélectriques de permittivité ε-ι=3. Ces lames sont alternées avec de l'air (ε2=1 ). Le premier groupe de lames diélectriques réfléchit et concentre l'énergie électromagnétique contenue dans la première bande de fréquences utiles et le second groupe de lames concentre l'énergie contenue dans la seconde bande de fréquences. Le diamètre du réflecteur est de l'ordre de 180cm. Le choix de εi, ε2 et des distances focales peut être adapté aux bandes de fréquences de travail souhaitées et aux matériaux disponibles. Un tel réflecteur peut répondre aux caractéristiques suivantes :
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000021_0001
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit.
Selon une variante de réalisation conforme à la présente invention, l'un des matériaux utilisé peut avoir des caractéristiques électriques (permittivité, perméabilité) variables et fonction d'une source extérieure. La bande de fréquence de fonctionnement en réflexion du réflecteur sera alors dépendante du niveau de la source appliqué. La bande de fonctionnement en réflexion et les bandes en transmission sont alors pilotables. Dans les tableaux qui précédent les expressions E-2, E-3, E-4 désignent respectivement 10"2m, 10"3m et 10"4m.
Il faut noter que dans le réflecteur conforme à la présente invention, les foyers géométriques respectifs distincts des diverses surfaces paraboliques mises en jeu ne sont pas confondus avec le foyer électromagnétique, c'est à dire le foyer au niveau duquel est concentré un faisceau arrivant sur le réflecteur avec une incidence parallèle à l'axe du réflecteur. Comme on l'a indiqué précédemment le foyer électromagnétique du réflecteur est confondu avec le foyer géométrique de la première surface parabolique concave. Le décalage existant entre le foyer électromagnétique et les foyers géométriques des surfaces paraboliques suivantes résulte du fait que les ondes réfléchies sur ces interfaces suivantes n'atteignent pas le foyer géométrique respectif de chacune de ces interfaces, mais le foyer électromagnétique commun du fait que ces ondes subissent l'effet cumulé des lames précédentes traversées en aller et retour.

Claims

REVENDICATIONS
1. Réflecteur formant antenne parabolique caractérisé par le fait qu'il est constitué de n lames jointives en matériau diélectrique définies par n+1 surfaces d'équations paraboliques distinctes conformées pour définir un foyer électromagnétique commun.
2. Réflecteur selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que chaque lame est constituée d'un morceau de diélectrique homogène de constante diélectrique ε supérieure ou égale à 1 et présentant de faibles pertes.
3. Réflecteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que toutes les lames sont délimitées par le même contour.
4. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les lames sont empilées par simple juxtaposition et maintenues par un sertissage extérieur.
5. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les lames sont collées les unes contre les autres.
6. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il possède un contour rectangulaire.
7. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comporte un contour circulaire.
8. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la distance e, qui sépare les deux faces S, et Sl+ι de chaque lame est déterminée sur la base de la relation :
Figure imgf000023_0001
9. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la première distance focale est choisie de telle sorte que l'angle θ formé par le front d'onde incident et la tangente à la surface en bordure de lame reste inférieur à 20 degrés.
10. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que sa largeur de bande utile est déterminée en calculant l'impédance d'onde ramenée au niveau de la première interface en supprimant de manière itérative la dernière interface et en remplaçant l'avant-dernière lame par un milieu d'impédance adéquat.
11. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il possède un foyer décentré par rapport à l'antenne.
12. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 11 , caractérisé par le fait qu'il est formé seulement de deux types de diélectriques.
13. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'il utilise l'air comme diélectrique.
14. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait qu'il est formé par une alternance de lames en un matériau diélectrique solide et de lames d'air.
15. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait qu'il comporte un défaut apte à rompre la périodicité diélectrique pour créer un pic de transmission dans la bande de fréquence.
16. Réflecteur selon la revendication 15, caractérisé par le fait que le défaut est formé par l'adjonction dans un empilement de lames respectant une périodicité donnée, d'une lame (ou de plusieurs lames) spécifique(s) distincte(s) ne respectant pas la même périodicité, ou de l'absence d'une (ou de plusieurs) lame(s) dans la périodicité.
17. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que les axes foyer/sommet (Pj, lj) sont alignés pour toutes les surfaces paraboliques.
18. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé par le fait qu'il est formé d'un empilement de lames présentant alternativement une permittivité εi ou une permittivité ε2 et que le nombre de lames est le suivant :
Figure imgf000024_0001
19. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait qu'il comprend 7 lames de permittivité ει>1 alternées avec 6 lames d'air.
20. Réflecteur selon la revendication 19, caractérisé par le fait qu'il comprend 7 lames de permittivité ε =2,2 alternées avec 6 lames d'air.
21. Réflecteur selon l'une des revendications 19 ou 20, caractérisé par le fait qu'il comprend des lames répondant au tableau suivant :
Figure imgf000025_0001
22. Réflecteur selon la revendication 19, caractérisé par le fait qu'il comprend 7 lames de permittivité ει=2,4 alternées avec 6 lames d'air.
23. Réflecteur selon l'une des revendications 19 ou 22, caractérisé par le fait qu'il comprend des lames répondant au tableau suivant :
Figure imgf000026_0001
24. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait qu'il comprend 6 lames de permittivité ει>1 alternées avec 5 lames d'air.
25. Réflecteur selon la revendication 24, caractérisé par le fait qu'il comprend 6 lames de permittivité ε-ι=3 alternées avec 5 lames d'air.
26. Réflecteur selon l'une des revendications 24 ou 25, caractérisé par le fait qu'il comprend des lames répondant au tableau suivant :
Figure imgf000027_0001
27. Réflecteur selon l'une des revendications 21 ou 26, caractérisé par le fait qu'il constitue un réflecteur pour radar anti collision pour automobile.
28. Réflecteur selon la revendication 23, caractérisé par le fait qu'il constitue une parabole pour réception TV.
29. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait qu'il est formé par superposition de deux sous-ensembles adaptés pour fonctionner à des fréquences différentes et eux-mêmes formés respectivement par empilement de lames jointives en matériau diélectrique.
30. Réflecteur selon la revendication 29, caractérisé par le fait qu'il est composé de deux groupes de 6 lames diélectriques de permittivité ει=3 alternées avec des lames d'air.
31. Réflecteur selon l'une des revendications 29 ou 30, caractérisé par le fait que les lames répondent au tableau suivant :
Figure imgf000028_0001
Figure imgf000029_0001
32. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 31 , caractérisé par le fait que l'un des matériaux utilisé a des caractéristiques électriques (permittivité, perméabilité) variables et fonction d'une source extérieure.
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