CA2067478C - Antenne a polarisation circulaire - Google Patents
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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Abstract
Une antenne produisant, en polarisation circulaire, un diagramme de rayonnement de révolution autour d'un axe (1) et présentant un minimum de rayonnement dans la direction de cet axe, caractérisée en ce qu'elle comprend: - une surface conductrice réflectrice (2), essentiellement de ré volution autour de l'axe, - un brin conducteur rectiligne (6), s'étendant axialement de puis une première extrémité (7), située au niveau de cette surface conductrice et isolée de celle-ci, jusqu'à une seconde extrémité (8), ce brin conducteur étant relié à sa première extréinité à une ligne d'alimentation (4, 5), et - une pluralité de bras rayonnants (9, 10), comportant chacun une première partie (9) s'étendant essentiellement dans un plan radial (11) depuis la seconde extrémité du brin conducteur, cette première partie étant, A son extrémité proximale, électriquement reliée de façon directe au brin conducteur et étant, à son extrémité distale, prolongée par une seconde partie (10) en forme de brin curviligne s'inscrivant typiquement sur une sphère centrée à ladite seconde extrémité et dont la direction générale est inclinée par rapport audit plan radial.
Description
~ 1 206~478 Antenrle à polarisation circulaire La présente invention concerne une antenne produisant, en pola-risation circulaire, un diagramme de rayrnnPmPnt de révolution autour d'un axe et ~ ~s~llku-t un minimllm de rayonnPmPnt dans la direction de cet axe.
Le plus souvent, les antennes de ce type sont réalisées au moyen d'une conLiguration de crn~ rtellrQ. à plusieurs brins disposés en tourniquet autour de l'axe de l'antenne, chacun des brins étant excité séparément par une ligne issue d'un l~a. lil~ul.
De telles antennes sont par exemple décrites par N. T. Linden-blad dans Antennas and TrnnQ7niQQions l,ines at the Empire State Building l'elerJision Station, in RCA Communications, avril 1941, (où quatre dipôles sont excités en phase séparément, chacun par une ligne propre), par M. S. Gatti et D. J. Nybakken dans A Circularly Polarized Crossed Drooping Dipole Antenna, in IEEE Antennas and Propagation Symposi~m Digest, 7-11 mai 1990, Vol. 1, pp. 254-257, et par C. C. Kilgus dans Shaped-Conical Raf~ r7. Pattern Perfor-mance of the ~ackfire Quadrifilar Helix, in IEEE Trr~nQacti~)ns on Antennas and Propagation, Mai 1975 (où quatre brins sont excités à
partir d'un système diviseur de puissance et déphaseur avec des phases respect,ives de 0, 90,180 et 2~0).
Les antennes de ce type sont par e~emple utilisées collr~mmPnt sur les satellites pour les liaisons de télémesure et de télécomman-de, ainsi que sur des mobiles terrestres et maritimes, notamment pour les systèmes de lrr~l;q~tion ou de rnmm11nir~tion par satellites.
On sait P~lPmPnt réaliser des antennes du type précité sous forme d'antennes imprimées à fente, mais celles-ci nPcP~it~nt un circuit d'adaptation comple~e.
Les ~rinrir~ inconvénients de ces diverses antennes connues sont leur rr,mrlPl!it~, leur relative fragilité et le coût élevé du sys-tème d'~o~rit~ti~n~ qui est typiquement un système à quatre voies impliquant la mise en place de dispositifs assurant des fonctions à la fois de division de plligq~nre, de déphasage et de symétrisation.
L'un des buts de la présente invention est de proposer une anten-20~7478 ne du type précité, c'est-à-dire produisant en polari6ation circulaire un diagramme de raynnnPment. qui soit de révolution autour d'un axe avec un minimum selon cet axe (par exemple un diagramme de forme plus ou moins toroïdale), mais avec une structure beaucoup plus simple et un système d'excitation directe ne nPCPC~it~nt. aucun dispositif de division de puissance, de déphasage, ni de symétrisa-tion.
Subsidiairement, I'un des but6 de la présente invention est de proposer un tel type d'antenne dont la direction du ~ .. de 10 raynnnPmpnt puisse être ajustée par un choix simple de p~ i-es, permettant ainsi de ~ U~l sans difficulté à partir d'une même structure de base toute une famille d'AntPnnP~, adaptées aux diffé-rentes ,qrrlir~tinnc ~uvisa~é~s.
A cet effet, I'antenne selon l'invention comprend: une surface 15 ron~lllrtrire rétlectrice, PcRPnt PllPmPnt de révolution autour de l'axe; un brin rnn~llrtPllr rectiligne, s'étendant A~ lpmpnt depuis ume première extrémité, située au niveau de cette surface conduc-trice et isolée de celle-ci, jusqu'à une seconde extrémité, ce brin con-ducteur étant relié à 6a première extrémité à une ligne d'alimenta-20 tion; et une pluralité de bras rayonnants, CUlll~ , chacun unepremière partie s'étendant P~cPntiPllPmpnt dans un plan radial depuis la seconde extrémité du brin rnnrlllrtellr, cette première par-tie étant, à son extrémité proximale, PlertrirlllPmpnt reliée de facon directe au brin cnndllrtellr et étant, à son extrémité distale, prolon-
Le plus souvent, les antennes de ce type sont réalisées au moyen d'une conLiguration de crn~ rtellrQ. à plusieurs brins disposés en tourniquet autour de l'axe de l'antenne, chacun des brins étant excité séparément par une ligne issue d'un l~a. lil~ul.
De telles antennes sont par exemple décrites par N. T. Linden-blad dans Antennas and TrnnQ7niQQions l,ines at the Empire State Building l'elerJision Station, in RCA Communications, avril 1941, (où quatre dipôles sont excités en phase séparément, chacun par une ligne propre), par M. S. Gatti et D. J. Nybakken dans A Circularly Polarized Crossed Drooping Dipole Antenna, in IEEE Antennas and Propagation Symposi~m Digest, 7-11 mai 1990, Vol. 1, pp. 254-257, et par C. C. Kilgus dans Shaped-Conical Raf~ r7. Pattern Perfor-mance of the ~ackfire Quadrifilar Helix, in IEEE Trr~nQacti~)ns on Antennas and Propagation, Mai 1975 (où quatre brins sont excités à
partir d'un système diviseur de puissance et déphaseur avec des phases respect,ives de 0, 90,180 et 2~0).
Les antennes de ce type sont par e~emple utilisées collr~mmPnt sur les satellites pour les liaisons de télémesure et de télécomman-de, ainsi que sur des mobiles terrestres et maritimes, notamment pour les systèmes de lrr~l;q~tion ou de rnmm11nir~tion par satellites.
On sait P~lPmPnt réaliser des antennes du type précité sous forme d'antennes imprimées à fente, mais celles-ci nPcP~it~nt un circuit d'adaptation comple~e.
Les ~rinrir~ inconvénients de ces diverses antennes connues sont leur rr,mrlPl!it~, leur relative fragilité et le coût élevé du sys-tème d'~o~rit~ti~n~ qui est typiquement un système à quatre voies impliquant la mise en place de dispositifs assurant des fonctions à la fois de division de plligq~nre, de déphasage et de symétrisation.
L'un des buts de la présente invention est de proposer une anten-20~7478 ne du type précité, c'est-à-dire produisant en polari6ation circulaire un diagramme de raynnnPment. qui soit de révolution autour d'un axe avec un minimum selon cet axe (par exemple un diagramme de forme plus ou moins toroïdale), mais avec une structure beaucoup plus simple et un système d'excitation directe ne nPCPC~it~nt. aucun dispositif de division de puissance, de déphasage, ni de symétrisa-tion.
Subsidiairement, I'un des but6 de la présente invention est de proposer un tel type d'antenne dont la direction du ~ .. de 10 raynnnPmpnt puisse être ajustée par un choix simple de p~ i-es, permettant ainsi de ~ U~l sans difficulté à partir d'une même structure de base toute une famille d'AntPnnP~, adaptées aux diffé-rentes ,qrrlir~tinnc ~uvisa~é~s.
A cet effet, I'antenne selon l'invention comprend: une surface 15 ron~lllrtrire rétlectrice, PcRPnt PllPmPnt de révolution autour de l'axe; un brin rnn~llrtPllr rectiligne, s'étendant A~ lpmpnt depuis ume première extrémité, située au niveau de cette surface conduc-trice et isolée de celle-ci, jusqu'à une seconde extrémité, ce brin con-ducteur étant relié à 6a première extrémité à une ligne d'alimenta-20 tion; et une pluralité de bras rayonnants, CUlll~ , chacun unepremière partie s'étendant P~cPntiPllPmpnt dans un plan radial depuis la seconde extrémité du brin rnnrlllrtellr, cette première par-tie étant, à son extrémité proximale, PlertrirlllPmpnt reliée de facon directe au brin cnndllrtellr et étant, à son extrémité distale, prolon-
2~ gée par une seconde partie en forme de brin curviligne s'inscrivanttypiquement sur une sphère centrée à ladite seconde extrémité et dont la direction générale est inclinée par rapport audit plan radial.
O
On va ~ l"~ . décrire un exemple de réalisation de l'inven-tion, en référence à la figure unique annexée qui montre, en perspec-tive, la configuration générale de l'antenne de l'invention.
O
On va ~ l"~ . décrire un exemple de réalisation de l'inven-tion, en référence à la figure unique annexée qui montre, en perspec-tive, la configuration générale de l'antenne de l'invention.
3~ 0 ~ 3 2~67478 Comme on peut le voir sur la figure, I'antenne de l'invention pré-sente une symétrie globale autour d'un axe 1, qui sera l'axe de révo-lution du diagramme de raynnn~mPnt, cet axe correspondant en ou-tre à la direction du minim11m de raynnnPmpnt~ de ce diagramme (dans la suite, on considérera cet axe comme vertical , mais il ne s'agit bien entendu là que d'une pure convention de commodité à des fins descriptives, cette caractéristique n'étant que purement relative et ne préjugeant en aucune fa,con l'orientation spatiale absolue de l'antenne).
Cet axe est k.gAlPmPnt. un axe de symétrie pour une surface con-ductrice 2, d'nri~nt~1;nn générale hnri7Ont~1~, jouant cle~ utluent le rôle de plan de sol , sans que cette tPrminnlneiP soit limitative, cette surface pouvant prendre plusieurs formes.
En particulier:
--elle peut être plane ou non plane, --elle peut être formée d'une surface continue ou bien d'un sim-ple grillage (avec une valeur de maille de l'ordre de 0,2 ~ ou moins), --son contour peut être circulaire ou polygonal.
Les seules ~;ulli-ai.lles sont, pour cette surface réflectrice, qu'elle soit électriquement çnnf~ trine (pour jouer le rôle de réflecteur) et essentiellement de révolution (pour que le diagramme de rayonne-ment présente aussi cette caractéristique), un contour polygonal pouvant être assimilé, du point de vue r~rlinPl~Prtrirlue et en premi-26 ère ~ i " ,~ I inn, à un contour circulaire.
L'antenne est reliée à une excitation 3, par exemple ume excita-tion coaxiale ~lllpOI~ une armature 4 et une âme centrale 5;
I'armature 4 est électriquement reliée à la surface cnnrlllrtrice 2, tandis que l'âme 5, portée à un potentiel différent de celui de la sur-face 2, débouche de cette dernière vers le haut et se prolonge en un brin conducteur rectiligne central 6, perpPn~ ire ~ la surface conductrice 2 et coïncidant avec l'axe 1. Ce brin vertical 6 se com-porte donc, du point de vue électrique, comme un monopôle e~cité à
sa base 7 par le coaxial 3 et chargé par la structure bU~éli~Ult~.
A son extrémité opposée 8, ce monopôle est relié à N brins hori-2U~7~78 zontauY 9 (par exemple N = J. ou plus), se dPAIligAnt les uns des autres par rotation de 2~/N. A leur e~trémité distale, ces brins hori-zontaux 9 sont prolongés chacun par un brin curviligne respectif 10, incliné vers le bas (c'est-à-dire formant un angle avec le plan hori-zontal 11 cnntPnAnt. les brins rectilignes 9), et constitué d'un arc de cercle qui s'étend à partir d'une de leurs t,~ilél--ilés et qui s'inscri-rait sur une sphère cenhrée à l'extrémité 8 du monop81e 6.
Il est à noter que ces différents éléments 6, 9 et 10 sont électri-quement reliés de facon directe, c'est-à-dire que l'on n'introduit au-cun circuit déphaseur, symétriseur, etc., ni au niveau de la liaison entre les différents éléments, ni à celui de la liaison de l'élément rayonnant 6 avec le rnnrlll~tPIlr d'PY~itAti~n 3. Ceci simplifie grande-ment la réalisation à la fois électrique et mécanique de cette antenne de l'invention (le seul cvllllloctllll PlPctriqllp évPnhlPllPmPnt.
nécessaire est un dispositif d'A~Art~t;nn d'impédance de la ligne d'PY-`itAtinn 3 à l'antenne, que l'on placerait alors à la base du brin central 6, ou dans le dispositif d'AlimPnt~tinn de l'ém~ u teur).
Le principe de fnn~t~mnPmPnt de cette antenne est le suivant.
Le brin vertical 6 rayonne comme un monopôle en pnl~riRAtinn verticale; les brins rectilignes horizontaux 9 contribuent, en revan-che, assez peu au rayonnement par raison de symétrie, et les brins curvilignes 10 rayonnent une composante linéaire hnri7nnt~1e arri-vant essenhPll~mPnt en quadrature avec la UUlll~UOS~ verticale produite par le brin vertical 6, ainsi qu'une ~ nh~ verticale, plus réduite, servant de ~omrohAnte d'appoint.
La composition de ces différents rayonnPmPnth produit le rayon-nement en polarisation circulaire recherché.
Le sens de la pUlAricAtinn circulaire est fixé par le sens angolaire vers lequel sont tournés les brins curvilignes 10. Si l'on souhaite ajuster cette pnlAric~tinn, ou la changer de sens, on peut rendre mo-biles les brins 10 par rapport aux brins 9, de manière à faire varier le sens et la valeur de l'angle d'in~linAiRnn de ces brins curvilignes avec le plan hnri7ûntAl 11.
En ce qui concerne les ~imPnRinnR, les principales valeurs t~vpi-206~78 ques 60nt:
--longueur du monopôle 6: ~2, cette valeur pouvant être éven-t~ mi~nt modifiée pour ajuster la direction (angle de site) du mslsrimllm de rayonnement;
5 --longueur des brins 9: ~4;
--longueur ((limPnAinn curviligne) typique des brins 10: 7~/20;
--diamètre de la surface c~ntl~rtrir~ 2 :1,2 ~, cette valeur pou-vant être évf~nt.ll~ m~nt modifiée pour ajuster la direction du mz~rimllm de raynnnpm~nt;
--rayon du brin 6: par exemple 0,075 ~;
_inrlins~icln des brins 10 par rapport au plan hori7Ants~
par exemple 25, cette valeur pouvant être év~nt~ mPnt modifiée pour ajuster les paramètreæ de pol~rig~3tinn Une antenne réalisée selon ces ~ngPi~n~mPnt.g, applicable à des 15 fréquences pouvant aller jusqu'au domaine des hyperfréquences (10 à 20 GHz), présente un gain d'au moins 1,5 dB pour des angles de site compris entre 10 et 50 par rapport à l'h~lri7~-nt~1.o, avec une bonne caractéristique d'omnidire~tinnnS~lité
D*erses variantes ou rr)mrlPm~nt.g sont bien entendu envisa-20 geables.
Not~mmf~nt, les différents brins h~ri7lmt~ 9 (qui ne sont pasdestinés à contribuer au l~y.."",-",Pnt) peuvent être remplacés par une surface métallique conductrice continue (par exemple une pla-que métallique, une plaque imprimée, une grille con~lllrtrirl~, etc.) en 25 périphérie de laquelle viendront se relier les brins curvilignes 10.
Cet axe est k.gAlPmPnt. un axe de symétrie pour une surface con-ductrice 2, d'nri~nt~1;nn générale hnri7Ont~1~, jouant cle~ utluent le rôle de plan de sol , sans que cette tPrminnlneiP soit limitative, cette surface pouvant prendre plusieurs formes.
En particulier:
--elle peut être plane ou non plane, --elle peut être formée d'une surface continue ou bien d'un sim-ple grillage (avec une valeur de maille de l'ordre de 0,2 ~ ou moins), --son contour peut être circulaire ou polygonal.
Les seules ~;ulli-ai.lles sont, pour cette surface réflectrice, qu'elle soit électriquement çnnf~ trine (pour jouer le rôle de réflecteur) et essentiellement de révolution (pour que le diagramme de rayonne-ment présente aussi cette caractéristique), un contour polygonal pouvant être assimilé, du point de vue r~rlinPl~Prtrirlue et en premi-26 ère ~ i " ,~ I inn, à un contour circulaire.
L'antenne est reliée à une excitation 3, par exemple ume excita-tion coaxiale ~lllpOI~ une armature 4 et une âme centrale 5;
I'armature 4 est électriquement reliée à la surface cnnrlllrtrice 2, tandis que l'âme 5, portée à un potentiel différent de celui de la sur-face 2, débouche de cette dernière vers le haut et se prolonge en un brin conducteur rectiligne central 6, perpPn~ ire ~ la surface conductrice 2 et coïncidant avec l'axe 1. Ce brin vertical 6 se com-porte donc, du point de vue électrique, comme un monopôle e~cité à
sa base 7 par le coaxial 3 et chargé par la structure bU~éli~Ult~.
A son extrémité opposée 8, ce monopôle est relié à N brins hori-2U~7~78 zontauY 9 (par exemple N = J. ou plus), se dPAIligAnt les uns des autres par rotation de 2~/N. A leur e~trémité distale, ces brins hori-zontaux 9 sont prolongés chacun par un brin curviligne respectif 10, incliné vers le bas (c'est-à-dire formant un angle avec le plan hori-zontal 11 cnntPnAnt. les brins rectilignes 9), et constitué d'un arc de cercle qui s'étend à partir d'une de leurs t,~ilél--ilés et qui s'inscri-rait sur une sphère cenhrée à l'extrémité 8 du monop81e 6.
Il est à noter que ces différents éléments 6, 9 et 10 sont électri-quement reliés de facon directe, c'est-à-dire que l'on n'introduit au-cun circuit déphaseur, symétriseur, etc., ni au niveau de la liaison entre les différents éléments, ni à celui de la liaison de l'élément rayonnant 6 avec le rnnrlll~tPIlr d'PY~itAti~n 3. Ceci simplifie grande-ment la réalisation à la fois électrique et mécanique de cette antenne de l'invention (le seul cvllllloctllll PlPctriqllp évPnhlPllPmPnt.
nécessaire est un dispositif d'A~Art~t;nn d'impédance de la ligne d'PY-`itAtinn 3 à l'antenne, que l'on placerait alors à la base du brin central 6, ou dans le dispositif d'AlimPnt~tinn de l'ém~ u teur).
Le principe de fnn~t~mnPmPnt de cette antenne est le suivant.
Le brin vertical 6 rayonne comme un monopôle en pnl~riRAtinn verticale; les brins rectilignes horizontaux 9 contribuent, en revan-che, assez peu au rayonnement par raison de symétrie, et les brins curvilignes 10 rayonnent une composante linéaire hnri7nnt~1e arri-vant essenhPll~mPnt en quadrature avec la UUlll~UOS~ verticale produite par le brin vertical 6, ainsi qu'une ~ nh~ verticale, plus réduite, servant de ~omrohAnte d'appoint.
La composition de ces différents rayonnPmPnth produit le rayon-nement en polarisation circulaire recherché.
Le sens de la pUlAricAtinn circulaire est fixé par le sens angolaire vers lequel sont tournés les brins curvilignes 10. Si l'on souhaite ajuster cette pnlAric~tinn, ou la changer de sens, on peut rendre mo-biles les brins 10 par rapport aux brins 9, de manière à faire varier le sens et la valeur de l'angle d'in~linAiRnn de ces brins curvilignes avec le plan hnri7ûntAl 11.
En ce qui concerne les ~imPnRinnR, les principales valeurs t~vpi-206~78 ques 60nt:
--longueur du monopôle 6: ~2, cette valeur pouvant être éven-t~ mi~nt modifiée pour ajuster la direction (angle de site) du mslsrimllm de rayonnement;
5 --longueur des brins 9: ~4;
--longueur ((limPnAinn curviligne) typique des brins 10: 7~/20;
--diamètre de la surface c~ntl~rtrir~ 2 :1,2 ~, cette valeur pou-vant être évf~nt.ll~ m~nt modifiée pour ajuster la direction du mz~rimllm de raynnnpm~nt;
--rayon du brin 6: par exemple 0,075 ~;
_inrlins~icln des brins 10 par rapport au plan hori7Ants~
par exemple 25, cette valeur pouvant être év~nt~ mPnt modifiée pour ajuster les paramètreæ de pol~rig~3tinn Une antenne réalisée selon ces ~ngPi~n~mPnt.g, applicable à des 15 fréquences pouvant aller jusqu'au domaine des hyperfréquences (10 à 20 GHz), présente un gain d'au moins 1,5 dB pour des angles de site compris entre 10 et 50 par rapport à l'h~lri7~-nt~1.o, avec une bonne caractéristique d'omnidire~tinnnS~lité
D*erses variantes ou rr)mrlPm~nt.g sont bien entendu envisa-20 geables.
Not~mmf~nt, les différents brins h~ri7lmt~ 9 (qui ne sont pasdestinés à contribuer au l~y.."",-",Pnt) peuvent être remplacés par une surface métallique conductrice continue (par exemple une pla-que métallique, une plaque imprimée, une grille con~lllrtrirl~, etc.) en 25 périphérie de laquelle viendront se relier les brins curvilignes 10.
Claims
REVENDICATION
Une antenne produisant, en polarisation circulaire, un diagram-me de rayonnement de révolution autour d'un axe (1) et présentant un minimum de rayonnement dans la direction de cet axe, caractérisée en ce qu'elle comprend:
- une surface conductrice réflectrice (2), essentiellement de ré-volution autour de l'axe, - un brin conducteur rectiligne (6), s'étendant axialement. de-puis une première extrémité (7), située au niveau de cette sur-face conductrice et isolée de celle-ci, jusqu'à une seconde extré-mité (8), ce brin conducteur étant relié à sa première extré-mité à une ligne d'alimentation (4, 5), et - une pluralité de bras rayonnants (9, 10), comportant chacun une première partie (9) s'étendant essentiellement dans un plan radial (11) depuis la seconde extrémité du brin conduc-teur, cette première partie étant, à son extrémité proximale, électriquement reliée de façon directe au brin conducteur et étant, à son extrémité distale, prolongée par une seconde par-tie (10) en forme de brin curviligne s'inscrivant typiquement sur une sphère centrée à ladite seconde extrémité et dont la direction générale est inclinée par rapport audit plan radial.
Une antenne produisant, en polarisation circulaire, un diagram-me de rayonnement de révolution autour d'un axe (1) et présentant un minimum de rayonnement dans la direction de cet axe, caractérisée en ce qu'elle comprend:
- une surface conductrice réflectrice (2), essentiellement de ré-volution autour de l'axe, - un brin conducteur rectiligne (6), s'étendant axialement. de-puis une première extrémité (7), située au niveau de cette sur-face conductrice et isolée de celle-ci, jusqu'à une seconde extré-mité (8), ce brin conducteur étant relié à sa première extré-mité à une ligne d'alimentation (4, 5), et - une pluralité de bras rayonnants (9, 10), comportant chacun une première partie (9) s'étendant essentiellement dans un plan radial (11) depuis la seconde extrémité du brin conduc-teur, cette première partie étant, à son extrémité proximale, électriquement reliée de façon directe au brin conducteur et étant, à son extrémité distale, prolongée par une seconde par-tie (10) en forme de brin curviligne s'inscrivant typiquement sur une sphère centrée à ladite seconde extrémité et dont la direction générale est inclinée par rapport audit plan radial.
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