EP0604304B1 - Antenne omnidirective et multipolarisation - Google Patents

Antenne omnidirective et multipolarisation Download PDF

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EP0604304B1
EP0604304B1 EP19930403120 EP93403120A EP0604304B1 EP 0604304 B1 EP0604304 B1 EP 0604304B1 EP 19930403120 EP19930403120 EP 19930403120 EP 93403120 A EP93403120 A EP 93403120A EP 0604304 B1 EP0604304 B1 EP 0604304B1
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EP
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omnidirectional antenna
antenna according
antenna
main
plane
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EP19930403120
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Philippe Piole
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Telediffusion de France ets Public de Diffusion
Orange SA
Original Assignee
Telediffusion de France ets Public de Diffusion
France Telecom SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/26—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole with folded element or elements, the folded parts being spaced apart a small fraction of operating wavelength
    • H01Q9/265—Open ring dipoles; Circular dipoles

Definitions

  • the present invention relates to the field of omnidirectional antennas, and more particularly that of reduced-size antennas used for reception on the ground of terrestrial broadcast signals.
  • the ideal antenna has a dimension of the order of half a wave, which means that, to receive emissions in frequency modulation (frequency of 100 MHz, or a wavelength of 3 m) , it is necessary a priori, a 1.5 m high antenna. In general, depending on the frequency bands, it becomes difficult to erect an antenna whose dimensions would be prohibitive or incompatible with the intended uses.
  • the polarization of the waves emitted by diffusers is generally either vertical or horizontal, and very rarely circular or oblique. If the antenna is not suitable for receiving the correct polarization, this leads to a significant signal loss, of the order of 10 to 20 dB.
  • An essential point is the omnidirectionality of an antenna, that is to say its ability to receive emissions from all azimuth directions. It is the opposite of very directive antennas (parabolas) which take energy only in a well-defined direction to the detriment of other directions for which there is an attenuation of in the range of 20 to 40 dB.
  • the problem posed by the invention is to obtain an antenna that is both omnidirectional and multipolarization, and whose dimensions are reduced.
  • antennas with rectilinear polarization are known which are only suitable for the reception of linearly polarized waves.
  • To receive an oblique polarized wave it is necessary to tilt the receiving aerial in the right direction.
  • Mixed antennas two polarizations are used for the reception of any elliptical waves but not omnidirectionally.
  • the invention relates to an omnidirectional antenna characterized in that it comprises a main loop constituting a curved half-wave dipole disposed, for the most part, in a main plane and in that the dipole comprises, in two spaced regions of the main loop one from the other, a pair of protrusions not located in the main plane and extending one above and the other below the main plane.
  • Said regions of the main loop can be arranged symmetrically opposite one another.
  • the main loop can form a quadrilateral, in particular a rectangle. Said regions can be located on the short sides of the rectangle.
  • Said protuberances each advantageously define a plane and have symmetry in their respective planes. They can in particular have a curved shape (semicircle, or even be V-shaped).
  • said protrusions are substantially parallel to one another and form with the main plane, an angle less than 90 °, preferably between 40 and 60 °.
  • An antenna according to the invention can comprise, at at least one end of the dipole, an element of higher section acting as a band expander.
  • the invention also relates to a reception box, characterized in that it comprises an omnidirectional antenna of the aforementioned type and in that the main plane is inclined relative to the horizontal, preferably so that the plane of said protuberances is vertical .
  • the antenna according to the invention is a curved half-wave dipole and not closed, that is to say that it is not a folded dipole. It has a main loop 1, 2, the shape of which can be any and which is preferably rectangular and has two long sides 1, 4, and two short sides 2.
  • the overall length of the main loop is reduced , here at the level of the lateral arms 2 by making them travel in a zigzag path to form loops 3 in the shape of a V, the points of which are directed for one, upwards, and for the other, downwards .
  • This structure makes it possible to keep a radiating length close to the half-wave radio frequency (length of the total perimeter of the antenna including the tips 2, 3) and to keep a radiation resistance (between 10 and 30 ⁇ ) close to that of the cable.
  • power supply 50 omhs
  • an acceptable bandwidth in the FM band To widen the bandwidth of the antenna, plates 5 welded to the ends 7 and 8 of the antenna increase the cross-section of the antenna, which has the effect of artificially increasing its length without increasing the mechanical bulk.
  • the section of the strands 1, 2, 3 and 4 can be of the order of 8 mm and the plate 5 can have a width of 30 mm, which corresponds to a local increase in the thickness of the strand in the vicinity ends 7 and 8 of the antenna.
  • the antenna can be made in the form of two mechanically identical half-elements which are connected by an element 6 placed in the middle of the long side 1, and allowing the connection of the antenna to a coaxial cable supply 20.
  • a bandwidth corresponding to the frequency modulation frequency band (88 to 110 MHz)
  • the dimension of the rectangle is 25 cm / 15 cm, which allows omnidirectionality of ⁇ 6 dB on average, and a maximum gain of -3dB on the whole band.
  • the antenna described above can receive a vertical and horizontal polarized wave by tilting the main loop 1, 2 of the antenna (the large strands). In this way, none of the polarizations is privileged and none is ignored.
  • the tilt factor gives percentages of discrimination between the two vertically and horizontally polarized waves. For example, an angle of inclination of 40 ° relative to the horizontal allows a percentage of horizontal discrimination of 60% and vertical of 40%.
  • FIG. 3 illustrates the reception of the horizontal E H and vertical E V fields on the large strands A and the small strands B of the loop 3 which allow the vertical reception.
  • the small strands B of the antenna receive the vertical and horizontal waves due to the shape of the tips 3 and the presence of horizontal portions 2. Indeed, a dipole cannot receive a wave in both directions within ⁇ 90 ° of its main direction.
  • the points, or protuberances 3 can have any shape, but it is particularly advantageous that this shape is in itself symmetrical in its plane (vertical axis of Figure 3).
  • the antenna described above allows, in addition to obtaining dimensions of about 5 to 10 times smaller than in the prior art, incorporation in a small volume with effective efficiency without having to adjust the antenna in polarization or orientation, or having to adjust it, this invisibly from the outside and in a protected manner against acts of vandalism.
  • a mast 10 for example 3 m in height, is intended in particular for signaling buses in cities, comprises a housing 11 fixed at 12 to the mast 10 and comprising a receiver 14, the antenna of which is constituted by an antenna of the type shown in Figures 1 and 2, the main rectangular loop is inclined at an angle ⁇ relative to the horizontal.
  • ⁇ preferably between 30 and 50 ° including 40 °, therefore ⁇ between 40 and 60 °, especially 50 °.
  • FIG. 4 also represents a solar panel 17 intended for supplying the reception circuit and fixed in 19 to the top of the mast 10.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

  • La présente invention concerne le domaine des antennes omnidirectives, et plus particulièrement celui des antennes de dimension réduite utilisées en réception au sol des signaux radiodiffusés terrestres.
  • Dans la pratique, l'antenne idéale a une dimension de l'ordre de la demi-onde, ce qui signifie que, pour recevoir des émissions en modulation de fréquence (fréquence de 100 MHz, soit une longueur d'onde de 3 m), il faut a priori, une antenne de 1,5 m de haut. D'une manière générale, selon les bandes de fréquence, il devient difficile d'ériger une antenne dont les dimensions seraient prohibitives ou incompatibles avec les utilisations envisagées.
  • En outre, il ne suffit pas de disposer une antenne adaptée par ses dimensions, mais il faut également que son orientation en polarisation soit réalisée. La polarisation des ondes émises par les diffuseurs (TELEDIFFUSION DE FRANCE, etc) est en général, soit verticale, soit horizontale, et très rarement circulaire ou oblique. Si l'antenne n'est pas adaptée à recevoir la bonne polarisation, ceci conduit à une perte de signal non négligeable, de l'ordre de 10 à 20 dB.
  • Un point essentiel est l'omnidirectivité d'une antenne, c'est-à-dire sa capacité à recevoir les émissions en provenance de toutes les directions azimutales. C'est le contraire des antennes très directives (paraboles) qui ne prélèvent l'énergie que dans une direction bien définie au détriment des autres directions pour lesquelles il existe une atténuation de l'ordre de 20 à 40 dB.
  • Le problème posé par l'invention est d'obtenir une antenne à la fois omnidirective et multipolarisation, et dont les dimensions soient réduites.
  • Dans l'état actuel des connaissances, on connaît des antennes à polarisation rectiligne qui ne sont aptes que pour la réception d'ondes polarisées linéairement. Pour recevoir une onde polarisée oblique, il est nécessaire d'incliner l'aérien de réception dans le bon sens. Des antennes mixtes (deux polarisations) sont utilisées pour la réception d'ondes elliptiques quelconques mais pas de façon omnidirective.
  • Il en résulte que les inconvénients des antennes de réception actuelles sont les suivants :
    • polarisation unique (atténuation de -20dB en polarisation orthogonale)
    • découplage de polarisation important (perte de 10 à 20 dB)
    • directivité prononcée (perte dans les zones d'autres directions)
    • dimensions importantes (non incorporables, non invisibles).
  • L'invention concerne une antenne omnidirective caractérisée en ce qu'elle comporte une boucle principale constituant un dipôle demi-onde recourbé disposé, en majeure partie, dans un plan principal et en ce que le dipôle comporte, dans deux régions de la boucle principale espacées l'une de l'autre, une paire de protubérances non situées dans le plan principal et s'étendant l'un au-dessus et l'autre au-dessous du plan principal.
  • Lesdites régions de la boucle principale peuvent être disposées symétriquement à l'opposé l'une de l'autre.
  • La boucle principale peut former un quadrilatère, en particulier un rectangle. Lesdites régions peuvent être situées sur les petits côtés du rectangle.
  • Lesdites protubérances définissent avantageusement chacune un plan et présentent une symétrie dans leurs plans respectifs. Elles peuvent en particulier avoir une forme recourbée (demi-cercle, ou bien être en forme de V).
  • Selon un mode de réalisation préféré, lesdites protubérances sont sensiblement parallèles entre elles et forment avec le plan principal, un angle inférieur à 90°, de préférence compris entre 40 et 60°.
  • Une antenne selon l'invention peut comporter, à au moins une extrémité du dipôle, un élément de section plus élevé faisant fonction d'élargisseur de bande.
  • L'invention concerne également un boîtier de réception, caractérisé en ce qu'il comporte une antenne omnidirective du type précité et en ce que le plan principal est incliné par rapport à l'horizontale, de préférence de manière que le plan desdites protubérances soit vertical.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent :
    • la figure 1, une vue en perspective d'une antenne selon l'invention,
    • la figure 2, un élément formant une demi-antenne selon l'invention,
    • la figure 3, la réception de champs électromagnétiques horizontaux et verticaux,
    • la figure 4, le mode de réalisation préféré du boîtier de réception incorporant une antenne selon l'invention.
  • En se référant aux figures 1 et 2, l'antenne selon l'invention est un dipôle demi-onde recourbé et non refermé, c'est-à-dire que ce n'est pas un dipôle replié. Il présente une boucle principale 1, 2, dont la forme peut être quelconque et qui est de préférence rectangulaire et présente deux grands côtés 1, 4, et deux petits côtés 2. En outre, la longueur d'encombrement de la boucle principale est diminuée, ici au niveau des bras latéraux 2 en leur faisant parcourir des trajets en zig-zag pour former des boucles 3 en forme de V dont les pointes sont dirigées pour l'une, vers le haut, et pour l'autre, vers le bas. Cette orientation opposée des parcours aux pointes 3, due à la disposition symétrique des boucles 3 l'une par rapport à l'autre au-dessus et en-dessous du plan de la boucle principale, permet que les champs induits sur les parties latérales ne se détruisent pas par opposition de phase, ce qui permet la réception en direction verticale. La réception dans la direction horizontale s'effectue sur les brins horizontaux 1, 2 formant la boucle principale qui sont actifs.
  • Cette structure permet de garder une longueur rayonnante proche radioélectriquement de la demi-onde (longueur du périmètre total de l'antenne y compris les pointes 2, 3) et de conserver une résistance de rayonnement (entre 10 et 30Ω) proche de celle du câble d'alimentation (50 omhs) ainsi qu'une largeur de bande acceptable dans la bande FM. Pour élargir la bande passante de l'antenne, des plaques 5 soudées aux extrémités 7 et 8 de l'antenne augmentent la section de l'antenne, ce qui a pour effet d'en augmenter artificiellement la longueur sans augmenter l'encombrement mécanique. Par exemple, la section des brins 1, 2, 3 et 4 peut être de l'ordre de 8 mm et la plaque 5 peut avoir une largeur de 30 mm, ce qui correspond à une augmentation locale de l'épaisseur du brin au voisinage des extrémités 7 et 8 de l'antenne.
  • Comme montré à la figure 2, l'antenne peut être réalisée sous forme de deux demi-éléments mécaniquement identiques et qui sont raccordés par un élément 6 disposé au milieu du grand côté 1, et permettant la connexion de l'antenne à un câble coaxial d'alimentation 20.
  • A titre d'exemple, une bande passante correspondant à la bande de fréquence de modulation de fréquence (88 à 110 MHz), la dimension du rectangle est de 25 cm / 15 cm, ce qui permet d'obtenir une omnidirectivité de ± 6 dB en moyenne, et un gain maximum de -3dB sur l'ensemble de la bande.
  • L'antenne décrite ci-dessus permet de recevoir une onde polarisée verticale et horizontale en inclinant la boucle principale 1, 2 de l'antenne (les grands brins). De cette façon, aucune des polarisations n'est privilégiée et aucune n'est ignorée. Le facteur d'inclinaison donne des pourcentages de discrimination entre les deux ondes polarisées verticalement et horizontalement. Par exemple un angle d'inclinaison de 40° par rapport à l'horizontale permet un pourcentage de discrimination horizontale de 60% et verticale de 40%.
  • La figure 3 illustre la réception des champs horizontaux EH et verticaux EV sur les grands brins A et les petits brins B de la boucle 3 qui permettent la réception verticale. Les petits brins B de l'antenne reçoivent les ondes verticales et horizontales du fait de la forme des pointes 3 et de la présence des portions horizontales 2. En effet, un dipôle ne peut recevoir une onde dans les deux directions à ± 90° de sa direction principale.
  • Les pointes, ou protubérances 3, peuvent avoir une forme quelconque, mais il est particulièrement avantageux que cette forme soit en elle-même symétrique dans son plan (axe vertical de la figure 3).
  • Comme le représente la figure 4, l'antenne décrite ci-dessus permet, outre le fait d'obtenir des dimensions d'environ 5 à 10 fois plus petites que dans l'art antérieur, une incorporation dans un volume restreint avec un rendement efficace sans avoir à ajuster l'antenne en polarisation ni en orientation, ni avoir à la régler, ceci de manière invisible de l'extérieur et de manière protégée par rapport aux actes de vandalisme.
  • Un mât 10 par exemple de hauteur 3 m est destiné notamment à la signalisation des autobus dans les villes, comporte un boîtier 11 fixé en 12 sur la mât 10 et comportant un récepteur 14 dont l'antenne est constituée par une antenne du type représentée en figures 1 et 2 dont la boucle principale rectangulaire est inclinée d'un angle α par rapport à l'horizontale. Les parcours 3 forment un angle β avec le plan de la boucle principale 1, 2 avec : β = 90° - α
    Figure imgb0001
  • On choisira α compris de préférence entre 30 et 50° notamment 40°, donc β compris entre 40 et 60°, notamment 50°.
  • La figure 4 représente également un panneau solaire 17 destiné à l'alimentation du circuit de réception et fixé en 19 au sommet du mât 10.

Claims (12)

  1. Antenne omnidirective, caractérisée en ce qu'elle comporte une boucle principale (1, 2), non fermée, constituant un dipôle demi-onde recourbé disposé en majeure partie dans un plan principal et en ce que le dipôle comporte, dans deux régions de la boucle principale espacées l'une de l'autre, une paire de protubérances (3) non situées dans le plan principal et s'étendant l'une au-dessus et l'autre au-dessous du plan principal.
  2. Antenne ominidirective selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites régions de la bande principale (1, 2) sont disposées symétriquement à l'opposé l'un de l'autre.
  3. Antenne omnidirective selon une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la boucle principale (1, 2) forme un quadrilatère.
  4. Antenne omnidirective selon la revendication 3, caractérisée en ce que le quadrilatère est un rectangle.
  5. Antenne omnidirective selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites régions sont situées sur les petits côtés du rectangle.
  6. Antenne omnidirective selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites protubérances (3) définissent chacune un plan et présentent une symétrie dans leurs plans respectifs.
  7. Antenne omnidirective selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdites protubérances ont une forme recourbée.
  8. Antenne omnidirective selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que lesdites protubérances (3) sont sensiblement parallèles entre elles et forment avec le plan principal un angle (β) inférieur à 90°.
  9. Antenne omnidirective selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit angle (β) est compris entre 40 et 60°.
  10. Antenne omnidirective selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte, à au moins une extrémité du dipôle, un élément (5) de section plus élevée faisant fonction d'élargisseur de la bande passante de l'antenne.
  11. Boîtier de réception, caractérisé en ce qu'il comporte une antenne omnidirective selon l'une quelconque des revendications précédentes et en ce que le plan principal est incliné (α) par rapport à l'horizontale.
  12. Boîtier de réception selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdites protubérances (3) sont disposées dans un plan vertical.
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