EP2264832B1 - Réflecteur secondaire pour une antenne à double réflecteur - Google Patents
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- EP2264832B1 EP2264832B1 EP10164928.3A EP10164928A EP2264832B1 EP 2264832 B1 EP2264832 B1 EP 2264832B1 EP 10164928 A EP10164928 A EP 10164928A EP 2264832 B1 EP2264832 B1 EP 2264832B1
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- H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
- H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
- H01Q19/18—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces
- H01Q19/19—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces comprising one main concave reflecting surface associated with an auxiliary reflecting surface
- H01Q19/193—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces having two or more spaced reflecting surfaces comprising one main concave reflecting surface associated with an auxiliary reflecting surface with feed supported subreflector
Definitions
- the present invention relates to radio frequency (RF) antennas with dual reflectors.
- These antennas comprise a concave primary reflector of large diameter and a secondary reflector ("sub-reflector" in English) convex of smaller diameter located near the focus of the primary reflector.
- These antennas operate indifferently in transmitter mode or in receiver mode, corresponding to two opposite directions of RF wave propagation.
- the description is given either in transmission mode or in reception mode of the antenna, according to which allows to better illustrate the described phenomena. It should be noted that all the reasonings apply to the antennas as well in reception as in emission.
- Double reflector antennas are used to produce compact systems.
- the double reflectors comprise a concave primary reflector, usually parabolic, and a convex secondary reflector of smaller diameter which is placed in the vicinity of the focus, on the same axis of revolution as the primary reflector.
- the primary reflector is pierced at its top and a waveguide is inserted along its axis. The end of the waveguide faces the secondary reflector. In transmission mode, the RF waves transmitted by the waveguide are reflected by the secondary reflector to the primary reflector.
- the secondary reflector must be maintained in the vicinity of the focus of the primary reflector.
- One of the possible ways is to fix the secondary reflector at the end of the waveguide, then serving as a mechanical support.
- the secondary reflector usually comprises a dielectric body (frequently plastic) substantially conical and transparent to RF waves.
- the outer surface of substantially conical general shape of the secondary reflector faces the primary reflector.
- the convex inner surface of the secondary reflector is coated with a treatment for reflecting the RF waves in direction of the primary reflector through the dielectric body. This coating is usually made of metal. Multiple reflections of RF waves occur between the end of the waveguide and the primary reflector, involving the secondary reflector.
- the overflow losses In the antenna transmission mode, for example, the overflow losses, expressed in dB, correspond to the energy reflected by the secondary reflector towards the primary reflector, and whose path ends beyond the outer diameter of the reflector. primary. These losses lead to pollution of the environment by RF waves. These overflow losses should be limited to levels defined by standards.
- a first proposed solution is to attach to the periphery of the primary reflector a skirt which has the shape of a cylinder, of diameter close to that of the primary reflector and of suitable height, lined internally with a layer absorbing RF radiation.
- this known solution has the inconvenient today troublesome cost of the material of the skirt, as well as the cost of assembling this skirt on the primary reflector.
- Another solution is to provide a secondary reflector whose outer surface has a profile according to a particular curve.
- this solution allows a low overflow loss value only if the secondary reflector has a large size.
- the reflection losses are reduced only for a narrow frequency band. Indeed, the waveguide produces a large beam of radiation with a low gain.
- the secondary reflector In order to reduce overflow losses, the secondary reflector must therefore have a large diameter or be placed very close to the waveguide. However, in the latter case, the performance relating to the reflection loss is affected.
- the document US 6724349 proposes to provide the inside of the waveguide transverse sections of different diameter and to provide on the convex surface of the secondary reflector faces perpendicular to its axis.
- the object of the present invention is to propose a secondary reflector of a double reflector antenna whose overflow losses are significantly reduced, without presenting the drawbacks of the prior art, particularly in terms of size and cost.
- the overflow losses for the transmission mode of an RF antenna correspond to values of the illumination angle (measured with respect to the axis of revolution of the secondary reflector) of the primary reflector by the secondary reflector for which RF waves from the waveguide are reflected by the secondary reflector in a direction which is outside the perimeter of the primary reflector.
- the object of the present invention is a dual reflector antenna secondary reflector according to claim 1.
- the outer surface of the horn has a substantially linear profile and the horn has substantially the shape of a truncated cone.
- the constant A is different from zero (A ⁇ 0).
- the outer surface of the horn has a continuous profile of particular shape.
- the horn has better efficiency, lower cross polarization, side lobes having a lower level and a frequency band of increased width.
- the outer surface of the horn is metallized. It may for example be covered with a reflective metal, such as silver.
- the invention also proposes a double reflector antenna comprising a secondary reflector as previously described.
- the invention has the advantage of significantly reducing the losses by overflow and to have low losses by reflection.
- a secondary reflector 1 of a double reflector antenna connected to a waveguide 2 .
- the waveguide 2 is here a hollow metal tube, for example aluminum. Its diameter, about ⁇ g / 2.5 where ⁇ g is the wavelength of the guided RF signal, is chosen so as to allow propagation of the TE11 mode only, before the appearance of higher modes.
- the secondary reflector 1 comprises a dielectric body 3 whose end 4 of smaller diameter is connected to the waveguide 2 .
- the dielectric body 3 of the secondary reflector 1 is for example a dielectric material such as plastic.
- the opposite end 5 of the dielectric body 3 is dug to form a reflective inner concave surface 6 for the RF signal.
- the inner surface 6 of the secondary reflector 1 is for example a surface of revolution described by a polynomial equation around an axis of revolution W-W '
- the inner surface 6 may be covered with a reflecting metal, such as silver.
- the outer surface 7 of the secondary reflector 1 is the surface placed facing the primary reflector.
- the outer surface 7 is a surface of revolution about the axis of revolution WW ".
- the end 4 of the dielectric body 3 of the secondary reflector 1 is externally provided with a bulge, here in the shape of a truncated cone, forming a horn 8 ("horn" in English) whose outer surface 9 has a continuous profile.
- the outer surface 9 of the horn 8 is smooth and metallized to be reflective.
- the junction 10 of the secondary reflector 1 and the waveguide 2 is located at the smaller diameter end of the horn 8 .
- Part of the dielectric material of the dielectric body 3 extends to penetrate inside the waveguide 2, to ensure the mechanical maintenance and the radio-electric transition between the waveguide 2 and the secondary reflector 1 .
- the horn 31 with such a profile has a better efficiency, a lower cross polarization, side lobes having a lower level and a frequency band of increased width.
- a secondary reflector 40 connected to a waveguide 41 is shown in perspective.
- the figure 4a is a partial section.
- the secondary reflector 40 comprises a bulge, forming a horn 42 having a continuous profile as described by the aforementioned equation, placed at its smaller diameter end cooperating with the waveguide 41.
- the figure 5 is a comparison of the width of the beam emerging from a waveguide of the prior art and that of the horn having a profile as described by the equation previously mentioned placed at the end of smaller diameter of the secondary reflector.
- the amplitude of the signal S is given for a frequency of 7.8 GHz in the vertical plane (curves 50 and 51 ) and in the horizontal plane (curves 52 and 53 ) as a function of the opening angle ⁇ of the waveguide. wave (curves 51 and 53) or the horn at its end of larger diameter (curves 50 and 52 ) respectively.
- an antenna has a horn having a profile as described by the aforementioned equation, its diagram is more directive, with reduced overflow losses.
- FIG. 7 represents the radiation pattern of the secondary reflector respectively in the horizontal plane (curve 70 ) and in the vertical plane (curve 71 ). It can be seen, for an opening angle ⁇ around -120 ° and + 120 ° by relative to the axis of revolution WW 'of the reflector, areas 72 and 73 respectively in which the overflow losses are significantly improved over the antecuric art.
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Description
- La présente invention se rapporte aux antennes radiofréquences (RF) à double réflecteur. Ces antennes comportent un réflecteur primaire concave de grand diamètre et un réflecteur secondaire (« sub-reflector » en anglais) convexe de diamètre moindre situé à proximité du foyer du réflecteur primaire. Ces antennes fonctionnent indifféremment en mode transmetteur ou en mode récepteur, correspondant à deux sens opposés de propagation des ondes RF. Dans ce qui suit, la description est donnée soit en mode émission, soit en mode réception de l'antenne, selon ce qui permet de mieux illustrer les phénomènes dêcrits. Il faut noter que tous les raisonnements s'appliquent aux antennes aussi bien en réception qu'en émission.
- Les antennes à double réflecteur, notamment celles dites de type Cassegrain, sont utilisées pour réaliser des systèmes compacts. Les doubles réflecteurs comportent un réflecteur primaire concave, habituellement parabolique, ainsi qu'un réflecteur secondaire convexe de diamètre inférieur qui est placé au voisinage du foyer, sur le même axe de révolution que le réflecteur primaire. Le réflecteur primaire est percé à son sommet et un guide d'onde est inséré selon son axe. L'extrémité du guide d'onde fait face au réflecteur secondaire. En mode émission, les ondes RF transmises par le guide d'onde sont réfléchies par le réflecteur secondaire vers le réflecteur primaire.
- Le réflecteur secondaire doit être maintenu au voisinage du foyer du réflecteur primaire. Un des moyens possibles est de fixer le réflecteur secondaire à l'extrémité du guide d'onde, lui servant alors de support mécanique. Dans ce cas, le réflecteur secondaire comporte habituellement un corps diélectrique (fréquemment en plastique) sensiblement conique et transparent aux ondes RF. La surface externe de forme générale sensiblement conique du réflecteur secondaire fait face au réflecteur primaire. La surface interne convexe du réflecteur secondaire est revêtue d'un traitement permettant de réfléchir les ondes RF en dîrection du réflecteur primaire en traversant le corps diélectrique. Ce revëtement est le plus souvent en métal De multiples réflexions des ondes RF surviennent entre l'extrémité du guide d'onde et le réflecteur primaire, en impliquant le réflecteur secondaire.
- De manière à réduire ces réflexions, on a proposé d'introduire des perturbations locales, sous forme de reliefs, sur la surface externe du réflecteur secondaire faisant face au réflecteur primaire. Cependant ces reliefs ont un effet moindre sur les pertes par débordement (« spillover » en anglais).
- En mode émission de l'antenne, par exemple, les pertes par débordement, exprimées en dB, correspondent à l'énergie réfléchie par le réflecteur secondaire en direction du réflecteur primaire, et dont le trajet se termine au-delà du diamètre externe du réflecteur primaire. Ces pertes conduisent à une pollution de l'environnement par les ondes RF. Ces pertes par débordement doivent être limitées à des niveaux définis par des normes.
- Une première solution proposée est d'attacher à la périphérie du réflecteur primaire une jupe qui a la forme d'un cylindre, de diamètre voisin de celui du réflecteur primaire et de hauteur convenable, revêtu intérieurement d'une couche absorbant le rayonnement RF. Outre l'encombrement qui en résulte, cette solution connue présente l'inconvénient aujourd'hui gênant du coût du matériau de la jupe, ainsi que du coût d'assemblage de cette jupe sur le réflecteur primaire.
- Une autre solution consiste à proposer un réflecteur secondaire dont la surface externe présente un profil selon une courbe particulière. Toutefois cette solution ne permet une faible valeur de perte par débordement qu'à condition que le réflecteur secondaire ait une taille importante. En outre les pertes par réflexion ne sont réduites que pour une étroite bande de fréquence. En effet le guide d'onde produit un large faisceau de radiation avec un gain faible. Afin de réduire les pertes par débordement, le réflecteur secondaire doit donc avoir un large diamètre ou bien être placé très près du guide d'onde. Toutefois dans ce dernier cas, les performances relatives à la perte par réflexion sont affectées.
- Le document
US-6,724,349 propose de munir l'intérieur du guide d'onde de sections transversales de diamètre différent et de ménager sur la surface convexe du réflecteur secondaire des faces perpendiculaires à son axe. - La présente invention a pour but de proposer un réflecteur secondaire d'antenne à double réflecteur dont les pertes par débordement sont notablement réduites, sans présenter les inconvénients de l'art antérieur notamment en termes de dimensions et de coût.
- Les pertes par débordement pour le mode émission d'une antenne RF correspondent à des valeurs de l'angle d'éclairement (mesuré par rapport à l'axe de révolution du réflecteur secondaire) du réflecteur primaire par le réflecteur secondaire pour lesquels les ondes RF issues du guide d'onde sont réfléchies par le réflecteur secondaire dans une direction qui est en dehors du périmétre du réflecteur primaire.
- L'objet de la présente invention est un réflecteur secondaire d'antenne à double réflecteur selon la revendication 1.
-
- A est une constante numérique,
- aw est le premier rayon de la première extrémité du réflecteur secondaire,
- po est le deuxième rayon de la deuxième extrémité du réflecteur secondaire.
- L est la hauteur totale du réflecteur secondaire,
- z est la hauteur considérée du réflecteur secondaire, et
- p(z) est le rayon d'une section placée à la hauteur z du réflecteur secondaire.
- Selon une première variante de la constante A est égale à zéro (A = 0). Dans ce cas, la surface externe du cornet présente un profil sensiblement linéaire et le cornet a sensiblement la forme d'un cône tronqué.
- Selon une seconde variante de réalisation, la constante A est différente de zéro (A ≠ 0). Dans ce cas, la surface externe du cornet présente un profil continu de forme particulière.
- Avec un tel profil, le cornet a une meilleure efficacité, une polarisation croisée moins élevée, des lobes latéraux ayant un niveau plus faible et une bande de fréquence de largeur accrue.
- Selon une autre variante, la surface externe du cornet est métallisée. Elle peut être par exemple recouverte d'un métal réfléchissant, comme l'argent.
- L'invention propose aussi une antenne à double réflecteur comportant un réflecteur secondaire tel que précédemment décrit.
- L'invention a comme avantage de réduire notablement les pertes par débordement et de présenter de faibles pertes par réflexion.
- 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 montre une coupe schématique d'un mode de réalisation d'un réflecteur secondaire selon l'invention. - la
figure 2 représente en coupe axiale schématique d'un réflecteur secondaire selon le mode de réalisation préféré de l'invention. - la
figure 3 est une vue en perspective coupée du réflecteur de lafigure 2 , - la
figure 4 montre en perspective le réflecteur de lafigure 2 . - la
figure 5 est une comparaison de la largeur du faisceau sortant d'un guide d'onde de l'art antérieur et celui sortant du cornet du réflecteur de lafigure 2 , le ? S en dB est donné en ordonnée, et en abscisse l'angle θ mesuré par rapport à l'axe de W-W' du réflecteur secondaire en degrès, - la
figure 6 montre la perte par réflexion du réflecteur de lafigure 2 , la perte par réflexion R en dB est donné en ordonnée, et en abscisse la fréquence v en GHz, - la
figure 7 reprèsente le diagramme de radiation du réflecteur de lafigure 2 , le gain G en dB est donné en ordonnée, et en abscisse l'angle θ en degrés. - Dans le mode de réalisation de l'invention illustré sur la
figure 1 , on a représenté en coupe axiale un réflecteur secondaire 1 d'une antenne à double réflecteur relié à un guide d'onde 2. Le guide d'onde 2 est ici un tube creux métallique, par exemple en aluminium. Son diamètre, d'environ λg/2,5 où λg est la longueur d'onde du signal RF guidé, est choisi de manière à permettre la propagation du mode TE11 seulement, avant l'apparition de modes supèrieurs. Le réflecteur secondaire 1 comporte un corps diélectrique 3 dont l'extrémité 4 de moindre diamètre est reliée au guide d'onde 2. Le corps diélectrique 3 du réflecteur secondaire 1 est par exemple en un matériau diélectrique comme du plastique. L'extrémité opposée 5 du corps diélectrique 3 est creusée pour former une surface interne 6 concave réfléchissante pour le signal RF. La surface interne 6 du réflecteur secondaire 1 est par exemple une surface de révolution décrite par une équation polynomiale autour d'un axe de révolution W-W' La surface interne 6 peut être recouverte d'un métal réfléchissant, comme l'argent. La surface externe 7 du réflecteur secondaire 1 est la surface placée en regard du réflecteur primaire. La surface externe 7 est une surface de révolution autour de l'axe de révolution W-W". - L'extrémité 4 du corps diélectrique 3 du réflecteur secondaire 1 est munie extérieurement d'un renflement, ici en forme de cône tronqué, formant un cornet 8 (« horn » en anglais) dont la surface externe 9 présente un profil continu. La surface extérieure 9 du cornet 8 est lisse et métallisée pour être réfléchissante. La jonction 10 du rèflecteur secondaire 1 et du guide d'onde 2 est située à l'extrémité de moindre diamètre du cornet 8. Une partie du matériau diélectrique du corps diélectrique 3 se prolonge pour pénétrer à l'intérieur du guide d'onde 2, afin d'assurer le maintien mécanique et la transition radio-électrique entre le guide d'onde 2 et le réflecteur secondaire 1.
- On considérera maintenant la
figure 2 qui illustre un mode de réalisation avantageux d'un réflecteur secondaire 20, Bien qu'un cornet de forme sensiblement conique permette de résoudre le problème, de meilleurs résultats peuvent être obtenus avec un cornet 21 dont la surface externe 22 possède un profil dèfini par la relation :
permettant des transitions douces entre un guide d'onde et la surface interne réfléchissante 23 du réflecteur secondaire 20, -
- A est une constante numérique,
- aw est le premier rayon de la première extrémité du réflecteur secondaire,
- ρo est le deuxième rayon de la deuxième extrémité du réflecteur secondaire,
- L est la hauteur totale du réflecteur secondaire,
- z est la hauteur considérée du réflecteur secondaire, et
- ρ(z) est le rayon d'une section placée à la hauteur z du réflecteur secondaire.
- Le cornet 31 avec un tel profil a une meilleure efficacité, une polarisation croisée moins élevée, des lobes latéraux ayant un niveau plus faible et une bande de fréquence de largeur accrue.
- Sur les
figures 4a et 4b , un réflecteur secondaire 40 relié à un guide d'onde 41 est représenté en perspective. Lafigure 4a est une coupe partielle. Le réflecteur secondaire 40 comporte un renflement, formant un cornet 42 ayant un profil continu tel que décrit par l'équation précédemment mentionnée, placé à son extrémité de moindre diamètre coopérant avec le guide d'onde 41. - La
figure 5 est une comparaison de la largeur du faisceau sortant d'un guide d'onde de l'art antérieur et celui sortant du cornet ayant un profil tel que décrit par l'équation précédemment mention placé à l'extrémité de moindre diamètre du réflecteur secondaire. L'amplitude du signal S est donné pour une fréquence de 7,8 GHz dans le plan vertical (courbes 50 et 51) et dans le plan horizontal (courbes 52 et 53) en fonction de l'angle d'ouverture θ du guide d'onde (courbes 51 et 53) ou du cornet à son extrémité de plus grand diamètre (courbes 50 et 52) respectivement. Lorsqu'une antenne comporte un cornet ayant un profil tel que décrit par l'équation précédemment mentionnée, son diagramme est plus directif, avec des pertes par débordement réduites. - On voit sur la
figure 6 la faible perte 60 par réflexion R du réflecteur secondaire en fonction de la fréquence ν du signal PF émis / transmis. - La ligure 7 représente le diagramme de radiation du réflecteur secondaire respectivement dans le plan horizontal (courbe 70) et dans le plan vertical (courbe 71), On voit, pour un angle d'ouverture ρ autour de -120° et +120° par rapport à l'axe de révolution W-W' du réflecteur, des zones 72 et 73 respectivement dans lesquelles les pertes par débordement sont nettement améliorées par rapport à l'art antércur.
Claims (6)
- Réflecteur secondaire (1) d'antenne à double réflecteur comprenant :- une première extrémité (4), ayant un premier diamètre,- une seconde extrémité (5) ayant un second diamètre plus grand que le premier diamètre,- une surface interne (6) convexe réfléchissante placée à la seconde extrémité (5) ayant un axe de révolution (w,w'),- une surface externe (7), de même axe de révolution que la surface interne (6), reliant la première extrémité (4) à la deuxième extrémité (5),- un corps diélectrique (3) s'étendant entre la première et la seconde extrémité (4, 5) et limité par la surface interne (6) et la surface externe (7),
caractérisé en ce que le corps diélectrique (3) présente au niveau de la première extrémité (4) un renflement formant un cornet (8) ayant une surface externe (9) qui présente un profil continu, dont l'extrémité de diamètre moindre est adaptée pour le couplage à l'extrémité d'un guide d'onde (2) cylindrique et dont la surface externe (9) est réfléchissante. - Réflecteur secondaire (1) selon la revendication 1, dans lequel le cornet (8) a sensiblement la forme d'un cône tronqué.
- Réflecteur secondaire (1) selon la revendication 1, dans lequel le profil de la
surface externe (9) du cornet (8) est défini par la relation:
dans laquelleA est une constante numérique,aw est le premier rayon de la première extrémité du réflecteur secondaire,ρ0 est le deuxième rayon de la deuxième extrémité du réflecteur secondaire,L est la hauteur totale du réflecteur secondaire,z est la hauteur considérée du réflecteur secondaire, etp(z) est le rayon d'une section placée à la hauteur z du réflecteur secondaire. - Réflecteur secondaire (1) selon la revendication 3, dans lequel la constante A est différente de zéro.
- Réflecteur secondaire (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface externe (9) du cornet (8) est métallisée.
- Antenne à double réflecteur comportant un réflecteur secondaire (1) selon l'une des revendications précédentes,
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