Dispositif d'alimentation d'une antenne à réflecteur

Abstract

 Le dispositif (4) pour l'alimentation d'une antenne selon l'invention comporte un réflecteur (2) dans lequel débouche un guide d'onde (8) de section circulaire ou rectangulaire comprenant à son extrémité une ouverture rayonnante cylindrique (10) ou conique (9). Une lentille (22) en matériau diélectrique est insérée partiellement à l'intérieur de l'ouverture, la partie (23) de la lentille (22) dépassant hors du guide d'onde (8) ayant sensiblement la forme d'un cône tronqué et comportant son extrémité (24) de plus petit diamètre tournée vers l'extérieur. L'extrémité (24) comprend une cavité centrale (25) dont la forme est donnée par la solution d'une équation polynomiale de type « b + ax + cx² + dx3 » ou d'une équation logarithmique.

Description

[0001] La présente invention se rapporte à une antenne de télécommunication à réflecteur, utilisée notamment pour les réseaux de communication mobile. L'invention concerne en particulier le dispositif d'alimentation d'une telle antenne.

[0002] Une antenne à ouverture rayonnante conventionnelle comprend un réflecteur présentant une concavité, ayant par exemple la forme d'un paraboloïde de révolution autour de l'axe de symétrie de l'antenne, et un dispositif d'alimentation transmettant les ondes électromagnétiques émises ou reçues par l'antenne. Le dispositif d'alimentation de l'antenne est situé le long de l'axe de symétrie de l'antenne dans la partie du réflecteur présentant la concavité et présente comme l'ensemble de l'antenne une symétrie de révolution autour de cet axe. Le dispositif d'alimentation de l'antenne comporte un guide d'onde qui peut être de section rectangulaire ou de section circulaire avec une ouverture rayonnante conique ou cylindrique. Cependant ces antennes fournissent un spectre de radiation primaire à faibles performances. Pour les améliorer une paroi cylindrique ou jupe, habituellement recouverte intérieurement d'un revêtement absorbant, est ajoutée autour du réflecteur, afin de limiter notamment le rayonnement latéral. Ces antennes présentent une perte par débordement élevée, et il est nécessaire d'utiliser une jupe d'une hauteur importante.

[0003] Le brevet US-4,673,945 décrit une antenne comportant un guide d'onde placé dans un tube conducteur dont l'extrémité conique se projette hors du tube, formant une surface concave recouverte d'une couche conductrice. Il en résulte une augmentation du gain et une diminution des lobes latéraux.

[0004] Le brevet US-2003/0,184,486 décrit un dispositif d'alimentation pour une antenne à réflecteur parabolique qui comprend un guide d'onde creux à section circulaire dont l'extrémité rayonnante est remplie d'un barreau en matériau diélectrique. L'extrémité extérieure du barreau est recouverte d'un chapeau de manière à réfléchir les ondes vers le réflecteur principal.

[0005] L'article de A.A. KISCHK (IEE Proceedings, 136(2), 1989, 169-171) décrit une antenne à réflecteur parabolique comprenant un guide d'onde à section circulaire. Afin de réduire la taille de l'ouverture rayonnante, le guide d'onde est rempli par un barreau en matériau diélectrique, tel que le plexiglas. Le barreau dépasse de l'ouverture du guide d'onde d'une longueur de 0,15λ. La forme en pointe de cône de l'extrémité du barreau diélectrique est déterminée de manière à diminuer la polarisation croisée.

[0006] La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients de l'art antérieur, et en particulier d'améliorer le spectre de radiation primaire de l'antenne en réduisant les lobes latéraux et la dépendance en fréquence.

[0007] L'invention a aussi pour but de proposer un dispositif d'alimentation d'une antenne à réflecteur qui augmente les performances en polarisation croisée et le gain de l'antenne.

[0008] L'invention a encore pour but de proposer une antenne nécessitant une jupe de hauteur moindre.

[0009] L'objet de la présente invention est un dispositif d'alimentation d'une antenne comportant un réflecteur dans lequel débouche un guide d'onde de section circulaire ou rectangulaire comprenant à son extrémité une ouverture rayonnante cylindrique ou conique. Selon l'invention, une lentille en matériau diélectrique est insérée partiellement à l'intérieur de ladite ouverture. La partie de la lentille dépassant hors du guide d'onde a sensiblement la forme d'un cône tronqué et comporte son extrémité de plus petit diamètre tournée vers l'extérieur. Cette extrémité comprend une cavité centrale dont la forme est donnée par la solution d'une équation polynomiale de type « b + ax + cx² + dx³ » ou d'une équation logarithmique.

[0010] Selon une première forme d'exécution du dispositif selon l'invention, la partie de la lentille dépassant hors du guide d'onde a sensiblement la forme d'un cône tronqué dont le plus grand diamètre est compris entre 0,5λ et λ, où λ est la longueur de l'onde électromagnétique. De préférence le plus grand diamètre est de l'ordre de 0,85λ.

[0011] Selon une deuxième forme d'exécution, la partie de la lentille dépassant hors du guide d'onde a sensiblement la forme d'un cône tronqué dont le plus petit diamètre est compris entre 0,5λ, et 0,9λ, où λ est la longueur de l'onde électromagnétique guidée. De préférence le plus petit diamètre est de l'ordre de 0,70λ.

[0012] Selon une troisième forme d'exécution, la longueur de la partie de la lentille située hors du guide d'onde est comprise entre 0,4λ et 0,7λ, où λ est la longueur de l'onde électromagnétique. De préférence la longueur est de l'ordre de 0,55λ.

[0013] Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la cavité centrale de la lentille est prolongée par des bords verticaux dont la hauteur est comprise entre 0,04λ et 0,1λ, où λ est la longueur de l'onde électromagnétique guidée. De préférence la hauteur des bords verticaux est de l'ordre de 0,07λ.

[0014] Selon une variante de réalisation, un piège est associé à ladite lentille. La présence du piège crée un effet de masque qui dissimule une partie du signal, mais évite les pertes par débordement et améliore le diagramme de rayonnement primaire de l'antenne. De préférence le piège associé à la lentille est un piège dit « quart d'onde ». A la place du piège, on pourrait aussi utiliser un anneau en matériau diélectrique qui contribue à réduire les lobes latéraux.

[0015] L'invention a encore pour objet une antenne à réflecteur comprenant un dispositif d'alimentation comportant un réflecteur dans lequel débouche un guide d'onde de section circulaire ou rectangulaire comprenant à son extrémité une ouverture rayonnante cylindrique ou conique. Une lentille en matériau diélectrique est insérée partiellement à l'intérieur de ladite ouverture. La partie de la lentille dépassant hors du guide d'onde a sensiblement la forme d'un cône tronqué. Son extrémité de plus petit diamètre est tournée vers l'extérieur et comprend une cavité centrale dont la forme est donnée par la solution d'une équation polynomiale de type « b + ax + cx² + dx³ » ou d'une équation logarithmique.

[0016] La présente invention a comme avantage d'augmenter le gain et les performances en polarisation croisée de l'antenne. En outre l'invention permet l'utilisation d'une jupe de plus faible hauteur ce qui diminue l'encombrement de l'antenne.

[0017] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel

• les figures 1A et 1B représentent en coupe des antennes conventionnelles,
• la figure 2 montre une vue en coupe oblique de l'ouverture d'un guide d'onde munie d'une lentille selon la présente invention ;
• la figure 3 montre une vue en coupe d'une variante de réalisation de l'invention,
• la figure 4 représente en coupe et en perspective, un piège de type « quart d'onde »,
• les figures 5A et 5B comparent les spectres de radiation primaire, respectivement dans un plan de polarisation horizontale et dans un plan de polarisation verticale, d'une antenne munie d'un dispositif d'alimentation conventionnel comportant un piège d'une part, et d'une antenne munie du dispositif d'alimentation selon l'invention d'autre part.

[0018] Sur les figures 5A et 5B, la radiation R en décibels (dB) est donné en ordonnée, et en abscisse l'angle θ d'écart à l'axe de l'antenne en degrés.

[0019] Une antenne 1 de l'art antérieur, représentée sur la figure 1, comprend un réflecteur 2 présentant une concavité, ayant par exemple la forme d'un paraboloïde de révolution autour d'un axe A-A 3 de symétrie de l'antenne 1, et un dispositif d'alimentation 4 transmettant les ondes électromagnétiques émises ou reçues par l'antenne 1. Pour améliorer les performances de l'antenne 1, elle est munie d'une paroi cylindrique ou jupe 5, recouverte intérieurement d'un revêtement absorbant 6, qui limite notamment le rayonnement latéral. La présence de la jupe 5 augmente la prise au vent de l'antenne 1 et le risque d'accumulation d'éléments tels que de l'eau, de la poussière ou de la neige. Aussi, il est connu d'agencer sur la jupe 5 un radôme 7 qui présente une surface protectrice plane cloisonnant l'espace défini par le réflecteur 2 et la jupe 5 vis-à-vis d'éléments extérieurs à l'antenne.

[0020] La transmission des ondes électromagnétiques s'effectue dans l'antenne 1 à l'aide d'un guide d'onde 8 habituellement métallique par exemple en laiton ou en aluminium. Le guide d'onde 8 peut être de section rectangulaire ou de section circulaire, avec une ouverture rayonnante conique 9 comme représenté sur la figure 1A ou avec une ouverture rayonnante cylindrique 10 comme représenté sur la figure 1B.

[0021] Dans le mode de réalisation de l'invention illustré en coupe oblique sur la figure 2, on a représenté l'ouverture cylindrique 20 d'un guide d'onde 21 à l'intérieure de laquelle est insérée en partie une lentille 22 de telle manière qu'une partie 23 dépasse hors du guide d'onde. Cette partie 23 est de forme sensiblement conique dont la pointe aurait été coupée. L'extrémité étroite 24 de plus petit diamètre de la partie 23 est tournée vers l'extérieur, et comporte une cavité centrale 25 d'une forme particulière donnée par la solution d'une équation polynomiale de type « b + ax + cx² + dx³ » ou d'une équation logarithmique. La cavité centrale 25 est prolongée par des bords verticaux 26 dont la hauteur est comprise entre 0,04λ et 0,1λ, et de préférence de l'ordre de 0,07λ, où λ est la longueur de l'onde électromagnétique guidée. Pour une antenne microonde, la longueur de l'onde électromagnétique guidée est habituellement comprise entre 10 et 50 mm.

[0022] La partie dépassante 23 de la lentille 22 a une forme sensiblement conique dont le plus grand diamètre D est compris entre 0,7λ, et λ, de préférence de l'ordre de 0,85λ, et le plus petit diamètre d est compris entre 0,5λ et 0,9λ, de préférence de l'ordre de 0,70λ. La longueur H de la partie 23 de la lentille 22 qui dépasse du guide d'onde 21 est comprise entre 0,4λ et 0,7λ, et de préférence de l'ordre de 0,55λ.

[0023] L'autre partie 27 de la lentille 22 placée dans l'ouverture 20 du guide d'onde 21 présente une succession de décrochements 28.

[0024] La lentille 22 est de préférence en un matériau diélectrique à faibles pertes et relativement insensible à la fréquence dans le domaine considéré. On peut choisir comme matériau notamment un polystyrène, comme le « REXOLITE » de la société « C-LEC », ou un polyméthylmétacrylate (PMMA).

[0025] La longueur totale de l'antenne peut varier de 25λ à 200λ.

[0026] On considérera maintenant la figure 3 qui illustre un autre mode de réalisation de la présente invention. Un piège 30 de type « quart d'onde » λ/4 est placé à l'extrémité 31 d'un guide d'onde 32 creux. Une lentille 33, de forme sensiblement analogue à celle de la figure 2, est en partie insérée à l'intérieur de l'extrémité du guide d'onde 32. La présence du piège 30 crée un effet de masque qui dissimule une partie du signal, mais évite les pertes par débordement et améliore le diagramme de rayonnement primaire de l'antenne. A la place du piège, on pourrait aussi utiliser un anneau en matériau diélectrique qui contribue à réduire les lobes latéraux.

[0027] Un autre exemple de piège 40 de ce type est représenté en vue agrandie en coupe et en perspective sur la figure 4. Les quatre compartiments 41 qu'il comprend ont chacun une largeur 1 qui vaut λ/4, c'est à dire un quart d'onde.

[0028] Les figures 5A et 5B permettent de comparer les performances, respectivement dans le plan de la polarisation horizontale et dans celui de la polarisation verticale, obtenues avec une antenne conventionnelle munie d'un piège d'une part (courbes 50A et 50B) et une antenne équipée d'une lentille selon un mode de réalisation de l'invention d'autre part (courbe 51A et 51B).

[0029] Cette comparaison des spectres de radiation primaire entre une antenne conventionnelle avec un piège et une antenne selon un mode de réalisation de la présente invention met en évidence les avantages suivants.

1) Le spectre de radiation primaire est très semblable dans les deux plans de polarisation horizontal et vertical.

2) Le niveau du champ rayonné par la source primaire sur le réflecteur principal est uniforme et de valeur quasi constante (dit aussi aplati) pour un angle de θ = +30° ou de θ = -30° par rapport à l'axe du réflecteur.

3) Le niveau de champ est moindre pour θ > 100° et pour θ < -100°. Ces valeurs de l'angle θ correspondent à un éclairement de la source primaire en dehors du réflecteur au niveau de la jupe. Lorsque le niveau de champ est élevé dans ce domaine d'angle, une jupe de plus grande hauteur est nécessaire pour supprimer les réflexions indésirables.

Revendications

1. Dispositif pour l'alimentation d'une antenne comportant un réflecteur (2) dans lequel débouche un guide d'onde (8) de section circulaire ou rectangulaire comprenant à son extrémité une ouverture rayonnante cylindrique (10) ou conique (9), caractérisé en ce que une lentille (22) en matériau diélectrique est insérée partiellement à l'intérieur de ladite ouverture, la partie (23) de la lentille dépassant hors du guide d'onde ayant sensiblement la forme d'un cône tronqué avec son extrémité (24) de plus petit diamètre tournée vers l'extérieur, ladite extrémité (24) comprenant une cavité centrale (25) dont la forme est donnée par la solution d'une équation polynomiale de type « b + ax + cx² + dx³ » ou d'une équation logarithmique.

2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la partie (23) de la lentille dépassant hors du guide d'onde a sensiblement la forme d'un cône tronqué dont le plus grand diamètre D est compris entre 0, 5λ et λ, où λ est la longueur de l'onde électromagnétique.

3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le plus grand diamètre D est de l'ordre de 0,85λ.

4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la partie (23) de la lentille dépassant hors du guide d'onde a sensiblement la forme d'un cône tronqué dont le plus petit diamètre d est compris entre 0, 5λ et 0, 9λ, où λ est la longueur de l'onde électromagnétique.

5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le plus petit diamètre d est de l'ordre de 0,70λ.

6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la longueur H de la partie (23) de la lentille située hors du guide d'onde est comprise entre 0,4λ et 0, 7λ, où λ est la longueur de l'onde électromagnétique.

7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la longueur H est de l'ordre de 0,55λ.

8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la cavité centrale (34) de la lentille est prolongée par des bords verticaux dont la hauteur h est comprise entre 0,04λ, et 0,1λ, où λ est la longueur de l'onde électromagnétique.

9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel la hauteur h des bords verticaux est de l'ordre de 0,07λ.

10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un piège (40) est associé à ladite lentille.

11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le piège associé à ladite lentille est un piège dit « quart d'onde ».

12. Antenne à réflecteur comprenant un dispositif d'alimentation (4) comportant un réflecteur (2) dans lequel débouche un guide d'onde (8) de section circulaire ou rectangulaire comprenant à son extrémité une ouverture rayonnante cylindrique ou conique, une lentille (22) en matériau diélectrique étant insérée partiellement à l'intérieur de ladite ouverture, la partie (23) de la lentille dépassant hors du guide d'onde ayant sensiblement la forme d'un cône tronqué et comportant son extrémité (24) de plus petit diamètre tournée vers l'extérieur, ladite extrémité (24) comprenant une cavité centrale (25) dont la forme est donnée par la solution d'une équation polynomiale de type « b + ax + cx² + dx³ » ou d'une équation logarithmique.

Dessins