EP0012645B1

EP0012645B1 - Antenne en plaque à double boucle circulaire

Info

Publication number: EP0012645B1
Application number: EP79400907A
Authority: EP
Inventors: Henri Albert Paul Havot
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-11-27
Filing date: 1979-11-23
Publication date: 1983-06-22
Also published as: US4443805A; EP0012645A1; FR2442520A1; ATE3923T1; FR2442520B1; DE2965766D1

Description

La présente invention concerne des antennes en plaques à deux ouvertures symétriques avec une fente réunissant les deux ouvertures, la fente étant orientée suivant l'axe joignant les centres des ouvertures. Ce type d'antenne a été décrit dans les documents US-A-2 935 747 et FR-A-2119901 notamment.
Les antennes en plaques ont déjà fait l'objet d'études et l'on sait, par exemple, qu'il est possible d'établir une équivalence entre la largeur d'une antenne en plaque et le diamètre du brin circulaire d'un doublet. Cette équivalence a, par exemple, été traitée dans l'ouvrage de R.W.O. King intitulé « The theory of linear antennas édité en 1956 par Harvard University Press, Cambridge, Mass., Etats-Unis. On connaît également des doublets repliés en plaque à brin alimenté beaucoup plus large que le brin replié, tels que, par exemple, celui qui est décrit dans le brevet FR2311 422.
L'objet de la présente invention est de prévoir une antenne très nettement différente de ces antennes connues et permettant d'obtenir des performances nettement meilleures.
Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévu que l'antenne est constituée par deux couronnes conductrices circulaires tangentes, les deux couronnes étant reliées électriquement entre elles dans la zone de tangence dont la longueur est, dans la direction perpendiculaire à l'axe, de l'ordre de grandeur de la largeur des couronnes, un bord de la fente étant excité au voisinage du centre de symétrie de l'antenne tandis que le point médian d'au moins une couronne, situé sur l'axe dans la zone diamétralement opposée au centre de symétrie, est à la masse.
Suivant une autre caractéristique, l'antenne est réalisée sur un circuit imprimé double face, l'alimentation étant réalisée par une ligne à bande pratiquement semi-circulaire dont le rayon est sensiblement la moyenne arithmétique des cercles interne et externe d'une couronne, dont, dans une des couronnés, une demi-couronne, située entièrement d'un côté de l'axe, sert de plan de masse, avec une extrémité de la ligne à bande reliée au point d'excitation situé de l'autre côté de la fente par rapport à la demi-couronne servant de plan de masse, en passant sous la fente, et l'autre extrémité de la ligne à bande reliée, à travers la feuille isolante du circuit imprimé, à l'âme d'un câble coaxial dont le conducteur extérieur, à la masse, est relié au point médian, le câble coaxial étant normal au plan de l'antenne.
Suivant une autre caractéristique, l'antenne est complétée par un plan réflecteur disposé derrière l'antenne, parallèlement à son plan, le câble coaxial traversant ce plan et le réflecteur pouvant être relié électriquement et mécaniquement au conducteur extérieur du câble coaxial.
Les caractéristiques de l'invention mentionnée ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :

la Figure 1a est une vue de la face rayonnante d'une antenne élémentaire suivant l'invention,
la Figure 1 b est une vue de côté de l'antenne de la Fig. 1 disposée devant le plan réflecteur,
la Figure 2 est une vue schématique d'une antenne double suivant l'invention, et
la Figure 3 est une vue schématique d'une antenne quadruple, suivant l'invention.

L'antenne de la Fig. 1a est réalisée sur un circuit imprimé double face en verre époxy (Er 4,3) d'une épaisseur d'environ 0,3 mm. La partie rayonnante de l'antenne est constituée par deux couronnes conductrices 1 et 2 dont les cercles extérieurs 3 et 4 seraient tangents au centre de symétrie 5 de l'antenne. Les deux couronnes 1 et 2 sont de mêmes dimensions, c'est-à-dire que les diamètres de 3 et 4 sont égaux ainsi que les diamètres des cercles intérieurs 6 et 7. Dans la zone 8 où les couronnes 1 et 2 sont pratiquement tangentes, il est prévu une fente orientée suivant l'axe 10 joignant les centres 11 et 12 des couronnes. La fente 9 va du cercle 6 au cercle 7, c'est-à-dire traverse longitudinalement la zone 8.
Comme le font apparaître les segments 13 et 14, les grands cercles 3 et 4 sont, vers la zone 8, reliés entre eux avant d'atteindre la fente 9 ce qui crée une continuité électrique entre les deux couronnes de part et d'autre de la fente 9. Les segments 13 et 14 sont parallèles à l'axe 10 et sont distants l'un de l'autre d'une quantité qui est pratiquement de l'ordre de la largeur des couronnes.
La Fig. la montre également, à plus grande échelle, la zone 8 et, en particulier, le point d'excitation 15 de l'antenne situé sur le bord 16 de la fente 9 en face du centre de symétrie 5. Du point 15, situé du même côté du circuit imprimé que les couronnes 1 et 2, par un conducteur qui traverse la feuille isolante et est relié à une extrémité du conducteur alimenté d'une ligne à bande 17 qui passe sous la fente 9, puis en formant un coude rejoint la ligne médiane en demi-cercle de la moitié de la couronne 1 se trouvant de l'autre côté de l'axe 10 par rapport au bord 16 de la fente. Le conducteur 17 a son autre extrémité située sur l'axe 10 au milieu de la couronne 1, où elle est reliée à l'âme 18 d'un câble coaxial dont l'âme passe à travers la feuille isolante du circuit imprimé et dont le conducteur extérieur 19 est relié électriquement à la surface conductrice de la couronne 1.
Comme le montre la Fig. 1 b, le câble coaxial 19 est perpendiculaire au plan de la feuille isolante 20 sur une face de laquelle sont imprimées les couronnes conductrices 1 et 2 tandis que sur l'autre face est imprimée la ligne 17. La Fig. 1 b montre que l'âme 18 traverse 20 tandis que 19 est soudé à 1. Par ailleurs, le câble 19 est montré passant à travers un plan réflecteur 21, parallèle au plan de la feuille 20, donc des couronnes 1 et 2. Le plan réflecteur 21, comme le conducteur extérieur 19, est à la masse, ce qui entraîne que le petit cercle 19 de la Fig. 1a est à la masse. Le réflecteur 21 peut être carré.
Dans un exemple de réalisation de l'élément rayonnant des Fig. 1a et 1b, on a prévu les dimensions suivantes :
où m est la longueur d'onde dans le vide correspondant à la fréquence minimale de la bande passante de l'antenne utilisée au cours d'une série de mesures.
Les mesures ont été'effectuées sur l'élément rayonnant dont les grandeurs géométriques sont indiquées ci-dessus, en faisant varier la fréquence de 2,1 à 3,6 GHz. Le rapport d'ondes stationnaires (R. O. S.) de l'antenne avec une impédance ramenée à 50 ohms reste inférieur à 2,5. A noter que l'on peut modifier l'impédance d'un élément rayonnant en faisant varier la largeur du brin rayonnant, c'est-à-dire la largeur des couronnes.
On a mesuré les ouvertures des diagrammes de directivité à 3 dB dans les plans E, normal à la fente 9, et H, contenant l'axe 10, et obtenu les résultats du tableau suivant :

f(GHz) 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6
Plan H 63° 52° 58° 56° 53° 50° 41 ° 50° 40° 46° 40° 37° 41 ° 30° 38° 27°
Plan E 68° 63° 66° 65° 60° 60° 53° 55° 54° 60° 61° 57° 60° 47° 60° 54°
A titre d'information, les ouvertures d'un doublet classique demi-onde disposé parallèlement à un plan réflecteur distant d'un quart d'onde sont, à 3 dB, respectivement 6_E= 72° et 6_H = 120°.

En outre, les diagrammes de rayonnement de l'antenne ne présentent qu'un lobe principal et aucun lobe secondaire dans la gamme de fréquences considérée. La directivité calculée à partir des diagrammes est comprise entre 10 dB pour les fréquences les plus basses et 14,7 pour la fréquence la plus haute. La valeur moyenne de la directivité est, en milieu de bande, supérieure à 12 dB.
De préférence, la distance entre les segments 13 et 14 est aussi réduite que possible. En effet, ils ont tendance à déformer les lobes. Toutefois, on ne peut les réduire au-dessous d'une certaine limite pour permettre le passage de la ligne 17, avec son coude, dans la zone 8. De préférence, la distance entre 13 et 14 est choisie inférieure à la largeur des brins, c'est-à-dire des couronnes. A noter que la réduction de la largeur des brins permet d'augmenter l'impédance du rayonnement. Toutefois, pour une constante diélectrique de la feuille 20 donnée, une réduction de la largeur des brins doit s'accompagner d'une réduction de la ligne 17 pour que la ligne à bande 17 fonctionne dans de bonnes conditions. La réduction de la largeur des brins a donc une limite du point de vue fonctionnement pratique. La réduction de la largeur de la fente 9 a un effet capacitif sur l'impédance.
La Fig. 2 montre un réseau de deux éléments rayonnants de la Fig. 1 qui sont alignés suivant l'axe 10. Le premier élément 22 comprend comme celui de la Fig. 1 deux couronnes 1 et 2 tandis que le second élément 23 comprend deux couronnes 1' et 2' qui sont respectivement symétriques des couronnes 1 et 2 par rapport à la droite 24 perpendiculaire à l'axe 10 au point de tangence externe de la couronne 1. Les couronnes 1 et 1' sont tangentes. Le câble d'alimentation 25 aboutit au point d'intersection de 10 et 24, avec son conducteur extérieur soudé aux plaques des couronnes 1 et 2. En pratique, autour du point de tangence de 1 et 1', la plaque a une certaine largeur, dans le sens de 24, limitée par des segments 26 et 27 dont la distance peut être plus faible que celle de 13 et 14. L'âme 28 du câble 25 est reliée, de l'autre côté de la feuille diélectrique, à deux petits segments 29 et 29' symétriques et orientés suivant 10, le segment 29 étant relié à la ligne à bande 17 et le segment 29' à une ligne à bande 17', symétrique de 17. Par ailleurs, on retrouve la fente 9 et sa symétrique 9', ainsi que le point d'excitation 15 et son symétrique 15'.
En supposant que l'élément 22 a des dimensions extérieures identiques à celles de l'élément de la Fig. 1, on peut alimenter le réseau de deux éléments par un câble 25 ayant une impédance de 100 ohms, à condition de choisir convenablement la largeur des brins, c'est-à-dire plus faible que dans l'élément de la Fig. 1.
En effectuant sur l'antenne de la Fig. 2 les mêmes mesures que sur celles de la Fig. 1, on obtient les résultats suivants :

f(GHz) 2.1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6
Plan H 31' 26° 24° 27° 22° 27° 21° 25° 23° 22° 23° 18° 23° 16° 20° 16°
Plan E 68' 63° 65" 65° 60° 60° 53° 55° 54° 60° 61° 57° 60° 48° 60° 54°

On constate que les ouvertures obtenues dans le plan H sont les mêmes pour la gamme de fréquences que précédemment, comprises entre 16° et 26° soit sensiblement la moitié de l'élément rayonnant isolé. A noter que, pour la fréquence de 3,2 GHz, on obtient des lobes secondaires plus bas que
prévus, soit - 20 dB, au lieu de 13,2 dB ordinairement obtenus.
On constate également que, grâce à la continuité physique et électrique entre les éléments rayonnants autour de leur point de tangence, on peut, notamment en utilisant des alimentations à ligne à bande, obtenir un système d'alimentation extrêmement simple et apportant moins de pertes que dans les réseaux connus.
La Fig. 3 montre un réseau de quatre éléments rayonnants de la Fig. 1 qui constituent deux paires d'antennes de la Fig. 2. Ce réseau comprend les éléments 30, 31, 32 et 33, qui sont respectivement tangents deux à deux. Un câble d'alimentation 34 est relié au point de tangence des éléments 31 et 32. Son âme est, cette fois reliée à deux lignes à bande symétriques par rapport à la droite35, perpendiculaire à l'axe 10 au point de tangence de 31 et 32. Ces lignes 36 et 36' sont également symétriques des lignes 17 et 17' de l'antenne de la Fig. 2 par rapport à l'axe 10, c'est-à-dire qu'elles courent sous les moitiés de couronnes qui comprennent le point d'excitation. Dans la zone de la fente de l'élément rayonnant 31, la ligne 36 passe à une certaine distance du point d'excitation 37 et se prolonge sous la moitié de couronne adjacente pour atteindre le point de tangence 38 des éléments 30 et 31 où elle est dérivée en deux lignes 39 et 40, tout à fait analogues à 17 et 17', dont les extrémités sont les points d'excitation 37 de 31 et 41 de 30. A partir de la ligne 36', on trouve également les lignes symétriques 39' et 40' aboutissant, à partir de 38', point de tangence de 32 et 33, aux points d'excitation 38' de 32 et 41' de 33.
Il apparaît donc que l'élément rayonnant de l'invention permet simplement, en utilisant la technique des lignes à bandes, de réaliser des réseaux à grand nombre d'éléments.
Il faut par ailleurs noter, en se référant à nouveau à l'élément rayonnant de la Fig. 1a, que le point 42 situé sur l'axe 10 et symétrique du point 18 par rapport à la tangente commune à 1 et 2 peut sans inconvénient être mis à la masse, c'est-à-dire relié au réflecteur 21, et cela pour des raisons de symétrie. Cette remarque permet d'envisager d'alimenter l'élément par deux câbles, l'un aboutissant en 18 et l'autre en 42, l'âme de ce dernier étant réunie au point 15 par une ligne à bande symétrique de 17 sous la moitié correspondante de la couronne 2. Cette remarque peut également être mise à profit dans l'antenne de la Fig. 3 en prévoyant des câbles aboutissant aux points 38 et 38'.
Il faut encore noter que l'élément rayonnant des Fig. 1a et 1b peut à des fréquences supérieures être utilisé, en réduisant ses dimensions en conséquence, dans des cavités de mesure.

Claims

1. Antenne en plaque à deux ouvertures symétriques avec une fente (9) réunissant les deux ouvertures, la fente (9) étant orientée suivant l'axe (10) joignant les centres (11, 12) des ouvertures, caractérisée en ce qu'elle est constituée par deux couronnes conductrices circulaires tangentes (1, 2), les deux couronnes (1, 2) étant reliées électriquement entre elles dans la zone de tangence (8) dont la longueur (entre 13 et 14) est, dans la direction perpendiculaire audit axe (10), de l'ordre de grandeur de la largeur des couronnes (1, 2), un bord (16) de ladite fente (9) étant excité au voisinage du centre de symétrie (5) de l'antenne tandis que le point médian d'au moins une couronne (1), situé sur ledit axe (10) dans la zone diamétralement opposée audit centre de symétrie (5), est à la masse.

2. Antenne suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est réalisée sur un circuit imprimé double face (20), l'alimentation étant réalisée par une ligne à bande (17) pratiquement semi-circulaire dont le rayon est sensiblement la moyenne arithmétique des cercles interne (6) et externe (4) d'une couronne, dont, dans une (1) des couronnes, une demi-couronne, située entièrement d'un côté dudit axe (10), sert de plan de masse, avec une extrémité (15) de ladite ligne à bande (17) reliée au point d'excitation situé de l'autre côté de la fente (9) par rapport à la demi-couronne servant de plan de masse, en passant sous la fente (9), et l'autre extrémité de la ligne à bande (17) reliée, à travers la feuille isolante (20) du circuit imprimé, à l'âme (18) d'un câble coaxial dont le conducteur extérieur (19), à la masse, est relié audit point médian, le câble coaxial étant normal au plan de l'antenne.

3. Antenne suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est complétée par un plan réflecteur (21) disposé derrière l'antenne, parallèlement au plan de l'antenne, le câble coaxiai(18, 19) traversant ce plan, le réflecteur (21) pouvant être relié électriquement et mécaniquement au conducteur extérieur (19) dudit câble coaxial.

4. Antenne suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, sur l'autre couronne (2), le point (42) symétrique dudit point médian par rapport au centre de symétrie (5) de l'antenne est relié électriquement et mécaniquement audit plan réflecteur (21).

5. Réseau d'antennes suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de telles antennes (30-34) dont les fentes sont alignées, les antennes étant tangentes et alimentées par des lignes à bande (36, 39, 40, 36', 39', 40').