Atténuation des ondes radio de l'antenne pendant la pluie

Exemples de radômes de radars météorologiques

Pour atténuer les dégâts causés par les averses localisées et torrentielles, le ministère du Territoire, des Infrastructures, des Transports et du Tourisme a installé XRAIN, un radar en bande X (8-12 GHz) capable d'observations à haute résolution et quasi en temps réel.
Alors que le radar en bande C (4-8 GHz) convient à l'observation de vastes zones, XRAIN peut observer les fortes précipitations localisées en détail et en temps réel ^*1.
Cependant, dans la bande X à plus haute fréquence, l'atténuation des ondes radio est plus importante en raison du film d'eau qui se forme sur la surface du radôme.

Une pellicule d'eau se forme à la surface du dôme à cause de la pluie.

Même une pluie légère peut provoquer la formation d'un film d'eau sur la surface du radôme, réduisant ainsi le signal. L'épaisseur du film d'eau change en fonction de l'intensité des précipitations, du matériau du radôme, de l'état de la surface, etc.
La figure 1 montre l'épaisseur estimée d'un film d'eau qui se formerait sur une surface de radôme uniforme, lisse et non traitée de 5 m de diamètre. Par exemple, une pluie de 30 mm par heure peut former un film d’eau de 0,2 mm d’épaisseur à la surface.

Sans mesures pour empêcher la formation d'un film d'eau, la plage de fonctionnement sera considérablement réduite en raison de l'atténuation du film d'eau ^*3.​

En effet, lors de périodes de fortes pluies, le signal diminue considérablement à cause du film d'eau sur le radôme, et la portée d'observation devient extrêmement étroite.
Par exemple, 30 mm de pluie par heure peuvent former un film d'eau de 0,2 mm d'épaisseur sur la surface du radôme, entraînant une atténuation de 5,0 dB.
Comme le montre la figure 2, la portée d'observation a été réduite de 80 km normale à 10 km.

Points clés pour prévenir la formation d'un film d'eau

En recouvrant la surface du radôme d’un matériau hydrofuge avec un angle ^{de contact de 140 degrés ou plus*3,} la formation de film d’eau peut être supprimée.
Alliant ultra-hydrofuge et durabilité, HIREC ^® peut avoir un angle de contact de 150 degrés entre la surface et la gouttelette d’eau.
De plus, il possède un mécanisme d’autonettoyage, ce qui lui permet de conserver son hydrofuge pendant environ 3 ans.

HIREC® est utilisé dans le radôme radar MP en bande X de XRAIN comme contre-mesure d'atténuation du film d'eau.

*1) « Observation radar des précipitations pour la gestion des cours d'eau au Japon », Ministère du Territoire, des Infrastructures, des Transports et du Tourisme, 30 septembre 2013, http://www.mlit.go.jp/river/pamphlet_jirei/pdf/xrain_en.pdf (1,7 Mo)
*2) "Rapport de recherche sur l'amélioration de la technologie de réduction de l'atténuation pour les radômes des radars météorologiques de la bande 9 GHz", Centre de recherche et d'avancement des technologies de communication avancées, mars 2009.
*3) « Étude sur les contre-mesures d'atténuation du radôme pour les radars météorologiques de la bande 9 GHz », Centre de recherche et de développement des technologies de communications avancées (AIST)

Exemples d'antennes BS

Atténuation des ondes radio de l'antenne pendant la pluie

① Atténuation due aux précipitations entre le satellite et l'antenne
② Causé par la pluie tombant sur l'antenne film d'eau Amortissement dû à

↓

HIREC réduit considérablement l'atténuation des ondes radio causée par les films d'eau !

La figure 3 montre un diagramme schématique de la façon dont les ondes radio sont atténuées par la pluie, en utilisant une antenne BS comme exemple.

L'atténuation des ondes radio pendant les précipitations n'est pas uniquement due à la pluie entre le satellite et l'antenne de la station de base, c'est-à-dire à l'atténuation causée par les gouttes de pluie dans l'espace.
Il existe un phénomène appelé atténuation par film d'eau.
L'atténuation par film d'eau désigne l'atténuation des ondes radio causée par un film d'eau qui se forme sur une antenne BS à cause de l'eau de pluie.
En appliquant revêtement super hydrophobe HIREC à la surface d'une antenne BS, pratiquement aucun film d'eau ne se forme sur la surface, réduisant considérablement l'atténuation du film d'eau.

La figure 4 montre la relation entre l'intensité des précipitations et l'atténuation des précipitations.
L'atténuation due à la pluie se produit lorsque la fréquence de fonctionnement dépasse 10 GHz, et son ampleur augmente avec la fréquence. De plus, cette atténuation croît avec l'intensité des précipitations.
Par exemple, dans la bande de fréquence de 12 GHz utilisée par BS (Broadcasting System), des intensités de pluie de 5 mm/h et 10 mm/h entraînent des atténuations de pluie d'environ 1 dB et 2 dB, respectivement.

La figure ci-dessus illustre la relation entre la fréquence et l'atténuation du film d'eau, l'épaisseur de ce dernier étant un paramètre. (Calculs basés sur la formule d'atténuation du film d'eau et les données de constante diélectrique complexe de l'eau issues de la Note de recherche météorologique n° 112)
Il a été constaté que l'atténuation du film d'eau se produit même à des fréquences de quelques GHz, et que le degré d'atténuation augmente avec la fréquence et l'épaisseur du film d'eau.
L'épaisseur du film d'eau à une intensité de pluie donnée varie en fonction de la taille et de la forme de l'antenne, mais nous présenterons un exemple publié dans la Note de recherche météorologique n° 139.
À 10 °C, dans un radôme de 5 m de diamètre, une intensité de pluie de 10 mm/h a engendré un film d'eau d'une épaisseur d'environ 0,16 mm. Cet exemple montre qu'un film d'eau de 0,1 à 0,2 mm d'épaisseur peut se former même en cas de pluie normale.
De plus, compte tenu de la dégradation de la surface de l'antenne due aux rayons ultraviolets, il est probable que plus la période d'installation extérieure d'une même antenne est longue, plus le film d'eau deviendra épais, même avec une même quantité de précipitations.

Les données d'atténuation des précipitations de la figure 4 et les résultats du calcul de l'atténuation du film d'eau de la figure 5 sont résumés dans la figure 6.
Cela montre que l'effet d'atténuation par film d'eau est loin d'être négligeable. En particulier, les mesures correctives liées au film d'eau sont importantes aux alentours de 10 GHz et en dessous.
En appliquant un revêtement hydrofuge sur la surface de l'antenne pour repousser fortement l'eau, l'atténuation des ondes radio causée par le film d'eau sera presque complètement éliminée en dessous de 10 GHz.
Bien que l'atténuation due à la pluie se produise à des fréquences supérieures à 10 GHz, l'atténuation par film d'eau peut être éliminée, réduisant ainsi l'atténuation globale.

Exemples de mesures de protection contre la pluie pour les antennes

La figure 7 montre un exemple de caractéristiques de réception d'ondes radio mesurées à l'aide d'une antenne BS (bande 12 GHz).
Lors de la comparaison d'antennes avec et sans revêtement super hydrophobe HIREC, pendant la pluie (17h00-19h00), les antennes sans revêtement HIREC ont subi une atténuation d'environ 3 à 4 dB, tandis que les antennes avec revêtement HIREC n'ont montré aucune atténuation.
Bien que l'intensité des précipitations soit inconnue, aucune atténuation n'a été observée sur l'antenne peinte avec du HIREC ; on estime donc qu'elle est de 5 mm/h ou moins d'après le graphique de l'intensité et de l'atténuation des précipitations.
De plus, sur le graphique de l'intensité et de l'atténuation des précipitations, l'atténuation dans la bande 12 GHz pour une intensité de 5 mm/h est d'environ 1 dB. Par conséquent, l'atténuation de 3 à 4 dB observée sur la figure 7 peut être interprétée comme une atténuation due à la formation d'un film d'eau, et non comme une atténuation due aux précipitations.
De plus, le fait que l'atténuation se produise encore après 19 heures, même après l'arrêt de la pluie, confirme l'hypothèse qu'il s'agit d'une atténuation due à un film d'eau toujours présent sur la surface de l'antenne.
Autrement dit, cela signifie qu'en cas de pluie sur l'antenne, une atténuation due à la formation d'un film d'eau se produira pendant un certain temps, même après la fin de la pluie. En revanche, aucune atténuation n'est observée sur les antennes recouvertes revêtement super hydrophobe HIREC, ce qui indique qu'un film d'eau quasi inexistant ne se forme pas à leur surface.
Au vu de ce qui précède, revêtement super hydrophobe HIREC peut être considéré comme l'une des contre-mesures prometteuses contre l'atténuation du film d'eau.
Enfin, il semblerait que l'atténuation par film d'eau se produise même à des fréquences inférieures à 10 GHz, mais cela reste à confirmer. Nous ajouterons les dernières informations dès que nous en saurons plus.

Mesures de lutte contre la neige utilisant des feuilles hydrofuges sur les antennes

La feuille déperlante peut être portée même en hiver.

Traditionnellement, les mesures de protection contre la neige consistent principalement à installer directement des solutions sur les antennes et autres structures, mais l'un des principaux défis est que les basses températures hivernales rendent impossible l'installation sur site.
Nous allons donc présenter un exemple de feuille hydrofuge permettant de protéger les équipements sur site contre la neige, même en hiver.

Avantages des draps hydrofuges

• Peut être installé même en hiver ← La peinture sur site de l'antenne à des températures inférieures à 5°C n'est pas possible.
• Peut être installé en 1-2 heures ← Au moins 2 jours nécessaires pour l'installation sur site de l'antenne

Inconvénients des draps imperméables

• Durée de vie d'environ 1 an (en fonction de la résistance aux intempéries du matériau de la plaque) ← Environ 3 ans dans le cas d'une peinture conventionnelle sur site

*Matériau hydrofuge de la feuille : polyéthylène (PE) ou polyester
Les housses hydrofuges sont fabriquées sur commande. Veuillez nous contacter pour plus d'informations.

Structure et application pratique des feuilles hydrofuges

Réflecteur : Feuille hydrofuge

• Une feuille de polyéthylène ou de polyester (zone bleue) est recouverte d' revêtement super hydrophobe [apprêt HIREC (zone vert clair) et HIREC 100 (zone rouge)].
  La photo de droite montre la feuille hydrofuge fixée à la partie réflectrice de l'antenne.

Convertisseur (section de collecte des ondes radio) : Seule la partie HIREC100 (rouge) est peinte au pinceau.

• HIREC100 est un matériau fonctionnel, et non une peinture ; son application au pinceau laissera donc des traces (irrégularités). Ces marques blanches témoignent de ses excellentes hydrofuge. (Vue agrandie du convertisseur)

*HIREC100 est le prédécesseur de HIREC-R. Les performances des deux produits sont équivalentes.

Comparaison de l'état de la réception des ondes radio avec et sans revêtement hydrofuge pendant les chutes de neige.

Nous aimerions présenter une expérience comparative menée lors de chutes de neige.

Antenne non traitée hydrofuge

Formation d'un film d'eau → Mauvaise réception

Antenne hydrofuge HIREC

Supprime la formation d'un film d'eau → Réception normale

État de réception des ondes radio de l'antenne BS pendant les chutes de neige (Situation environ 14 mois après l'installation de l'antenne BS)

Avec une antenne qui n’avait pas été traitée avec un revêtement hydrofuge, des interruptions de réception (niveau de réception du tuner inférieur à 20) se sont produites à plusieurs reprises.
L'antenne étant équipée d'un revêtement hydrofuge (le convertisseur possédait également un revêtement hydrofuge), la puissance du signal diminuait, mais la réception restait possible.

État de réception des ondes radio de l'antenne BS pendant les chutes de neige (environ 26 mois après l'installation de l'antenne)

Antenne BS hydrofuge non traitée

Avec des antennes BS qui n'étaient pas traitées avec un revêtement hydrofuge, la réception était impossible (niveau de réception inférieur à 20) ou une distorsion de l'image était observée pendant plusieurs dizaines de minutes à près de 9 heures par jour au cours de la période d'enregistrement de 54 jours.
La fréquence était de 15 fois.

Antenne BS hydrofuge

Avec l'antenne BS hydrofuge, le niveau de réception n'a jamais été inférieur à 25.

Exemple détaillé de réception d'ondes radio

On peut en déduire que la réception réussie des émissions BS est due à l'absence quasi totale de film d'eau sur l'antenne et la section convertisseur traitées hydrofuges.
Bien que des dispositifs de fonte de neige existent pour empêcher l'accumulation de neige sur les antennes, la principale cause d'atténuation des ondes radio est l'eau (film d'eau), et non la neige ou la glace. Par conséquent, les dispositifs de fonte de neige pour antennes peuvent s'avérer inefficaces pour réduire l'atténuation des ondes radio.

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