EP0850496B1 - Dispositif d'emission a antenne omnidirectionnelle - Google Patents

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EP0850496B1
EP0850496B1 EP97932866A EP97932866A EP0850496B1 EP 0850496 B1 EP0850496 B1 EP 0850496B1 EP 97932866 A EP97932866 A EP 97932866A EP 97932866 A EP97932866 A EP 97932866A EP 0850496 B1 EP0850496 B1 EP 0850496B1
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Centre National dEtudes Spatiales CNES
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q11/00—Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02—Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/08—Helical antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/362—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith for broadside radiating helical antennas

Definitions

  • the present invention relates to a device omnidirectional antenna transmission.
  • the device proposed by the invention finds in particularly advantageously application for the emission on land mobiles or on satellites.
  • An object of the invention is to propose a device allowing both a transmission in pure circular polarization, and a blanket omnidirectional.
  • the invention proposes a new type emitting device with toroidal antenna exhibiting better polarization performance than prior art toric radiation antennas.
  • Helical antennas are known for their emission properties in circular polarization.
  • the invention in turn provides a device emission whose antenna is of the helical strand type and which presents an emission diagram improved by compared to that of an antenna of the type described in US 5,450,093.
  • the transmission device proposed by the invention comprises an antenna having a plurality of strands distributed regularly in a helix around the same cylindrical generator, as well as means for supplying said strands by a signal radio frequency, and is characterized in that these means supply realize an equi-phase supply and equi-amplitude of said strands.
  • the supply means have a coaxial cable that extends coaxially to inside the antenna and that feeds so bifilar the different strands of it.
  • the coaxial cable common to different strands (which is small so avoid stray reflections that would destroy the polarization quality) is protected by a sheath ferrite.
  • the antenna illustrated in FIG. 2 is an antenna with four helical strands B 1 to B 4 .
  • the propellers of these four strands B 1 to B 4 are identical and offset by ⁇ / 2 relative to each other.
  • These four strands are for example wires wound on a cylindrical mandrel of a material dielectric.
  • the antenna includes means M for supplying these four strands B 1 to B 4 in an equi-amplitude and equi-phase manner.
  • these supply means M comprise a coaxial cable C which extends partly inside the propellers defined by the four strands B 1 to B 4 and which allows a radio frequency signal generated by a U unit.
  • the strands B 1 to B 4 are connected to the ground of this coaxial cable C, while at their other end, these strands B 1 to B 4 are connected to the external braid of the coaxial C.
  • the connections between the ends of the strands B 1 to B 4 and the coaxial cable C have not been shown so as not to overload FIG. 2.
  • the invention is not limited to antennas with four radiating strands, but applies from more generally to any antenna with n strands. A number pair of strands is preferred, however.
  • This coaxial cable C is advantageously protected by a ferrite sheath G.
  • phase control (balun" according to the English terminology conventionally used by those skilled in the art) distributed every ⁇ / 4 on the strands B 1 to B 4 .
  • the strands have a diameter of 1 mm.
  • ⁇ represents the angle of progression of each helical strand
  • Z r and Z i the real and complex impedances at the input of the antenna (SI units)
  • the length of a strand is preferably less than the wavelength ⁇ . Beyond, optimization is more difficult, even if it is possible to obtain trained diagrams.
  • FIG. 3 the angular radiation diagram obtained for a axial antenna height of 0.045 m, a base radius of 0.018 m and a ratio of strand length to length wave ⁇ of 0.811.
  • the impedance was that indicated on the previous table.
  • the transmission frequency was 2000 MHz.
  • This radiation pattern is related to a 9 m measurement sphere (far field).
  • the circular polarization obtained was of a high quality.
  • the type of antenna that is proposed by the invention allows a great compactness of geometry, while allowing almost coverage omninidirectionnelle.
  • the antenna which has just been described presents a reduced manufacturing price.
  • the antenna is advantageously protected by a radioelectrically transparent radome.
  • the antenna can be fixed on a vehicle possibly with a dielectric mat deployable telescopically or made up of several elements nested on top of each other.
  • the transmission device proposed by the invention is particularly suitable for all applications requiring emissions omnidirectional and in particular to broadcasts on mini spined satellites navigating in a landmark geocentric or broadcasts from mobile earthly.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Description

La présente invention est relative à un dispositif d'émission à antenne omnidirectionnelle.
Le dispositif proposé par l'invention trouve en particulier avantageusement application pour l'émission sur des mobiles terrestres ou sur des satellites.
Un des problèmes rencontrés dans la mise en oeuvre opérationnelle d'un aérien peu directif est la modification de son diagramme de rayonnement due à des effets de réflexion (multi trajets).
Pour résoudre ce type de problème, on utilise habituellement des antennes à polarisation circulaire aussi pure que possible.
Un but de l'invention est de proposer un dispositif permettant à la fois une émission en polarisation circulaire pure, et une couverture omnidirectionnelle.
On connaít déjà de nombreux types d'antennes omnidirectionnelles.
On peut notamment citer les antennes à fente disposées sur cylindres, et plus particulièrement les antennes bicônes, ainsi que les antennes à spirale cônique, ou encore les antennes de type dipôle, par exemple celles qui ont été décrites dans les publications :
  • Brown and Woodward, "Circulary polarized omnidirectional antenna", R.C.A. Rev. June 1947 ;
  • K. Sakaguchi and N. Hasebe "Acriculary polarized omnidirectional antenna", IEEE Trans. on Antennas and propagation.
Ces différents types d'antennes permettent un rayonnement torique tel qu'illustré sur la figure 1, mais ne permettent pas de réaliser une polarisation circulaire satisfaisante.
L'invention propose quant à elle un nouveau type de dispositif d'émission à antenne à rayonnement torique présentant de meilleures performances de polarisation que les antennes à rayonnement torique de l'art antérieur.
Les antennes hélicoïdales sont connues pour leurs propriétés d'émission en polarisation circulaire.
On pourra à cet égard avantageusement se référer à la publication :
  • Harold A. Wheeler "A helical Antenna for circular polarisation", Proceedings of I.R.E., December 1947.
Il a déjà été proposé dans US 5 450 093 une antenne omnidirectionnelle à quatre brins hélicoïdaux. Ces différents brins y sont alimentés de façon déphasée les uns par rapport aux autres.
Toutefois, les diagrammes de rayonnement de ce type d'antenne ne sont pas encore pleinement satisfaisants.
L'invention propose quant à elle un dispositif d'émission dont l'antenne est du type à brins hélicoïdaux et qui présente un diagramme d'émission amélioré par rapport à celui d'une antenne du type décrit dans US 5 450 093.
Plus particulièrement, le dispositif d'émission proposé par l'invention comporte une antenne présentant une pluralité de brins répartis régulièrement en hélice autour d'une même génératrice cylindrique, ainsi que des moyens pour l'alimentation desdits brins par un signal radiofréquence, et est caractérisé en ce que ces moyens d'alimentation réalisent une alimentation équi-phase et équi-amplitude desdits brins.
Avantageusement, les moyens d'alimentation comportent un câble coaxial qui s'étend coaxialement à l'intérieur de l'antenne et qui alimente de façon bifilaire les différents brins de celle-ci.
De préférence, le câble coaxial commun aux différents brins (qui est de faible dimension afin d'éviter les réflexions parasites qui détruiraient la qualité de la polarisation) est protégé par une gaine de ferrite.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
  • la figure 1 illustre un rayonnement torique, c'est-à-dire un rayonnement tel que recherché par l'invention ;
  • la figure 2 est une représentation schématique en perspective d'un dispositif conforme à un mode de réalisation possible pour l'invention ;
  • la figure 3 illustre un exemple de diagramme de rayonnement obtenu avec l'antenne de la figure 2.
L'antenne illustrée sur la figure 2 est une antenne à quatre brins hélicoïdaux B1 à B4. Les hélices de ces quatre brins B1 à B4 sont identiques et décalées de π/2 les unes par rapport aux autres.
Ces quatre brins sont par exemple des fils enroulés sur un mandrin cylindrique en un matériau diélectrique.
En variante, il est possible d'envisager de réaliser cette antenne en utilisant une technologie imprimée, les brins étant imprimés sur un support diélectrique.
Conformément à l'invention, l'antenne comporte des moyens M pour alimenter ces quatre brins B1 à B4 de façon équi-amplitude et équi-phase.
Dans l'exemple ici décrit, ces moyens d'alimentation M comportent un câble coaxial C qui s'étend en partie à l'intérieur des hélices définies par les quatre brins B1 à B4 et qui permet de véhiculer jusqu'auxdits brins un signal radio-fréquence généré par une unité U.
A l'une des extrémités de l'antenne, les brins B1 à B4 sont reliés à la masse de ce câble coaxial C, tandis qu'à leur autre extrémité, ces brins B1 à B4 sont reliés à la tresse externe du coaxial C. Les liaisons entre les extrémités des brins B1 à B4 et le câble coaxial C n'ont pas été représentées pour ne pas surcharger la figure 2.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux antennes à quatre brins rayonnants, mais s'applique de façon plus générale à toute antenne à n brins. Un nombre pair de brins est toutefois préféré.
Ce câble coaxial C est avantageusement protégé par une gaine de ferrite G.
Une telle configuration permet en effet d'éviter que la masse du câble coaxial constitue un obstacle métallique qui perturbe l'émission.
En variante, il peut être prévu sur le câble coaxial C des anneaux de ferrite répartis tous les λ/4 dans la longueur dudit câble, où λ est la longueur d'onde d'émission.
En variante encore, on peut prévoir des moyens de contrôle de phase ("balun" selon la terminologie anglo-saxonne classiquement utilisée par l'Homme du Métier) répartis tous les λ/4 sur les brins B1 à B4.
On notera que la protection par une gaine de ferrite est préférée de par sa simplicité de mise en oeuvre, notamment pour les utilisations au sol.
Des exemples de résultats de directivité sont présentés sur le tableau suivant, pour différentes dimensions d'antenne et différentes impédances d'entrée.
Ces exemples correspondent à des antennes à deux brins en hélice sur un tour.
Les brins présentent un diamètre de 1 mm.
Figure 00050001
α représente l'angle de progression de chaque brin en hélice, Zr et Zi les impédances réelle et complexe en entrée de l'antenne (unités S.I.)
Comme on le notera sur ce tableau, la directivité d'une telle antenne varie sensiblement de 1,7 dBi à 2,8 dBi.
On notera également que la longueur d'un brin est préférentiellement inférieure à la longueur d'onde λ. Au-delà, l'optimisation est plus délicate, même s'il est possible d'obtenir des diagrammes formés.
Les résultats présentés dans le tableau précédent ont été vérifiés expérimentalement.
On a, à titre illustratif, porté sur la figure 3 le diagramme angulaire de rayonnement obtenu pour une hauteur axiale d'antenne de 0,045 m, un rayon de base de 0,018 m et un rapport de la longueur de brin à la longueur d'onde λ de 0,811. L'impédance était celle indiquée sur le tableau précédent.
La fréquence d'émission était de 2000 MHz.
Ce diagramme de rayonnement est rapporté à une sphère de mesure de 9 m (champ lointain).
La polarisation circulaire obtenue était d'une grande qualité.
On notera que le type d'antenne qui est proposé par l'invention permet une grande compacité de géométrie, tout en permettant une couverture quasi omninidirectionnelle.
Par ailleurs, l'antenne qui vient d'être décrite présente un prix de fabrication réduit.
On notera également que la compacité de l'antenne qui vient d'être décrite permet d'envisager d'empiler l'une au-dessus de l'autre, par exemple sur un même mandrin, plusieurs antennes de ce type alimentées par un même coaxial, afin d'augmenter la directivité de l'aérien réalisé.
Par ailleurs, l'antenne est avantageusement protégée par un radôme radioélectriquement transparent.
Par exemple, au sol, l'antenne peut être fixée sur un véhicule par un mat diélectrique éventuellement déployable de façon téléscopique ou encore constitué de plusieurs éléments emboítés les uns sur les autres.
Comme on l'aura compris, le dispositif d'émission proposé par l'invention est particulièrement adapté à toutes les applications nécessitant des émissions omnidirectionnelles et notamment aux émissions sur des mini satellites spinés naviguant dans un repère géocentrique ou encore des émissions à partir de mobile terrestre.

Claims (10)

  1. Dispositif d'émission comportant une antenne présentant une pluralité de brins (B1 à B4) répartis régulièrement en hélice autour d'une même génératrice cylindrique, ainsi que des moyens (C, U) pour l'alimentation desdits brins par un signal radiofréquence, caractérisé en ce que ces moyens d'alimentation (C, U) réalisent une alimentation équi-phase et équi-amplitude desdits brins.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comportent un câble coaxial (C) qui s'étend coaxialement à l'intérieur de l'antenne et qui alimente de façon bifilaire les différents brins (B1 à B4) de celle-ci.
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le câble coaxial est protégé par une gaine de ferrite (G).
  4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les brins (B1 à B4) sont constitués par des fils enroulés sur un même mandrin diélectrique.
  5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les brins (B1 à B4) sont des conducteurs imprimés sur un support diélectrique.
  6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'antenne est protégée par un radôme radioélectriquement transparent.
  7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs antennes de ce type superposées coaxialement et alimentées en parallèle de façon équi-phase et équi-amplitude par les moyens d'alimentation.
  8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur d'un brin est inférieure à la longueur d'onde d'émission.
  9. Utilisation d'un dispositif d'émission selon l'une des revendications précédentes sur un mobile terrestre.
  10. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 sur un satellite, notamment un satellite spiné.
EP97932866A 1996-07-10 1997-07-09 Dispositif d'emission a antenne omnidirectionnelle Expired - Lifetime EP0850496B1 (fr)

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