EP1393411B1 - Omnidirectional resonant antenna - Google Patents
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Description
La présente invention concerne des antennes résonantes omnidirectionnelles et plus particulièrement des antennes résonantes omnidirectionnelles dans un demi-espace ou l'ensemble de l'espace.The present invention relates to omnidirectional resonant antennas and more particularly omnidirectional resonant antennas in a half-space or all of the space.
Il est connu dans l'état de la technique de réaliser des antennes résonantes c'est-à-dire, des antennes dont les dimensions ont été déterminées de façon à ce qu'elles présentent un phénomène de résonance pour des multiples d'une fréquence prédéterminée. Ces antennes utilisent le phénomène de résonance pour accroître l'énergie du rayonnement émis et/ou reçu à la fréquence prédéterminée et présentent ainsi une bande passante limitée. Ces antennes ont également l'avantage de présenter un faible encombrement par rapport aux antennes non résonantes, c'est-à-dire des antennes ne présentant pas un phénomène de résonance pour des multiples d'une fréquence prédéterminée.It is known in the state of the art to make resonant antennas, that is to say, antennas whose dimensions have been determined so that they exhibit a resonance phenomenon for multiples of one frequency. predetermined. These antennas use the resonance phenomenon to increase the energy of the radiation emitted and / or received at the predetermined frequency and thus have a limited bandwidth. These antennas also have the advantage of having a small footprint compared to non-resonant antennas, that is to say antennas that do not have a resonance phenomenon for multiples of a predetermined frequency.
Ces antennes peuvent être réalisées à l'aide d'un seul conducteur électrique formant un dipôle ou un monopôle, le plus souvent de type filaire. Elles sont, par exemple, réalisées à l'aide d'un toit métallique imprimé sur un substrat diélectrique, ces dernières antennes étant connues sous le nom d'"antennes patch". Un autre mode de réalisation consiste à découper des fentes dans un plan de masse, ces antennes étant connues sous le nom d"'antennes à fentes". Toutefois, au mieux, on sait à l'heure actuelle, réaliser des antennes résonantes omnidirectionnelles dans un plan de l'espace, c'est-à-dire que, le rayonnement électromagnétique émis ou reçu est sensiblement uniforme quelle que soit la direction dans ce plan.These antennas can be made using a single electrical conductor forming a dipole or a monopole, most often wired type. They are, for example, made using a metal roof printed on a dielectric substrate, the latter antennas being known as "patch antennas". Another embodiment consists in cutting slots in a ground plane, these antennas being known as "slot antennas". However, at best, it is known at the present time, to realize omnidirectional resonant antennas in a plane of space, that is to say that the electromagnetic radiation emitted or received is substantially uniform whatever the direction in this plan.
Il existe également dans l'état de la technique des systèmes comprenant trois antennes résonantes orientées chacune suivant une direction de l'espace différente. Ces antennes sont raccordées à l'entrée d'un calculateur de traitement de signaux. Le calculateur est adapté pour traiter les signaux reçus en entrée de manière à restituer en sortie un seul signal similaire à celui d'une antenne résonante omnidirectionnelle dans toutes les directions de l'espace. Le brevet
Toutefois ces systèmes sont difficiles à intégrer dans des applications industrielles à cause notamment de la présence du calculateur.However, these systems are difficult to integrate in industrial applications because of the presence of the computer.
Il n'existe donc pas actuellement d'antennes résonantes présentant la simplicité des antennes formées avec un seul conducteur électrique tout en étant omnidirectionnelle dans un demi-espace ou l'ensemble de l'espace.Thus, there are currently no resonant antennas presenting the simplicity of antennas formed with a single electrical conductor while being omnidirectional in a half-space or the entire space.
La présente invention vise donc à combler cette lacune en créant une antenne résonante omnidirectionnelle dans un demi-espace ou dans l'ensemble de l'espace.The present invention therefore aims to fill this gap by creating an omnidirectional resonant antenna in a half-space or in the entire space.
Elle a donc pour objet une antenne résonante omnidirectionnelle comme définit dans la revendication 1.It therefore relates to an omnidirectional resonant antenna as defined in claim 1.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, elle peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le conducteur électrique rayonnant comporte deux parties symétriques par rapport à un plan de symétrie pour obtenir un rayonnement du conducteur électrique, omnidirectionnel dans l'ensemble de l'espace ;
- le conducteur électrique rayonnant se compose d'un premier, d'un deuxième, d'un troisième, d'un quatrième et d'un cinquième brins, le quatrième et le cinquième brins étant respectivement les images par symétrie du deuxième et du premier brins par rapport au plan de symétrie médian du troisième brin ;
- un brin à l'extrémité du conducteur électrique rayonnant est positionné perpendiculairement à un plan de masse ;
- les dimensions du plan de masse sont inférieures à la longueur d'onde λ pour obtenir un rayonnement du conducteur électrique omnidirectionnel dans l'ensemble de l'espace ;
- les dimensions du plan de masse sont plusieurs fois supérieures à la longueur d'onde λ pour obtenir un rayonnement du conducteur électrique omnidirectionnel dans un demi-espace ;
- elle comporte des éléments de masse et en ce que les brins du conducteur électrique rayonnant sont respectivement coplanaires à ceux-ci ;
- le conducteur électrique rayonnant comporte une première extrémité raccordée à un émetteur/récepteur d'ondes et une seconde extrémité raccordée au plan de masse ;
- le conducteur électrique rayonnant comporte une première extrémité raccordée à un émetteur/récepteur d'ondes et une seconde extrémité raccordée aux éléments de masse ;
- le conducteur électrique rayonnant est raccordé à l'émetteur/récepteur d'ondes par l'intermédiaire d'une zone de couplage électromagnétique ;
- les dimensions de la zone de couplage électromagnétique déterminent en partie l'impédance réelle de l'antenne ;
- le conducteur électrique rayonnant se compose d'un premier, d'un deuxième et d'un troisième brins ;
- les brins consécutifs du conducteur électrique rayonnant sont orientés suivant deux directions orthogonales entre elles;
- les brins sont chacun formé par une bande dont la largeur est déterminée pour adapter, au moins en partie, l'impédance réelle de l'antenne à l'impédance d'un émetteur/récepteur d'ondes destiné à être raccordé à l'antenne ;
- le conducteur électrique rayonnant se compose de brins filaires ;
- le conducteur électrique rayonnant comporte une première extrémité raccordée à un émetteur / récepteur d'ondes et une seconde extrémité libre ;
- le conducteur électrique rayonnant est associé à un matériau diélectrique réduisant les dimensions de l'antenne ;
- le conducteur électrique rayonnant est noyé dans un matériau diélectrique réduisant les dimensions de l'antenne ; et
- le conducteur électrique rayonnant est positionné à la surface d'un matériau diélectrique réduisant les dimensions de l'antenne.
- the radiating electrical conductor comprises two parts symmetrical with respect to a plane of symmetry to obtain a radiation of the electrical conductor, omnidirectional in the whole of the space;
- the radiating electrical conductor is composed of a first, a second, a third, a fourth and a fifth strand, the fourth and fifth strands respectively being symmetrical images of the second and first strands; relative to the median plane of symmetry of the third strand;
- a strand at the end of the radiating electrical conductor is positioned perpendicular to a ground plane;
- the dimensions of the ground plane are less than the wavelength λ to obtain an omnidirectional electrical conductor radiation in the whole of the space;
- the dimensions of the ground plane are several times greater than the wavelength λ to obtain a radiation of the omnidirectional electrical conductor in a half-space;
- it comprises mass elements and in that the strands of the radiating electrical conductor are respectively coplanar with them;
- the radiating electrical conductor has a first end connected to a wave transmitter / receiver and a second end connected to the ground plane;
- the radiating electrical conductor has a first end connected to a wave transmitter / receiver and a second end connected to the ground elements;
- the radiating electrical conductor is connected to the wave transmitter / receiver via an electromagnetic coupling zone;
- the dimensions of the electromagnetic coupling area partly determine the actual impedance of the antenna;
- the radiating electrical conductor consists of first, second and third strands;
- the consecutive strands of the radiating electrical conductor are oriented in two directions orthogonal to each other;
- the strands are each formed by a band whose width is determined to adapt, at least in part, the actual impedance of the antenna to the impedance of a wave transmitter / receiver intended to be connected to the antenna ;
- the radiating electrical conductor consists of wire strands;
- the radiating electrical conductor has a first end connected to a wave transmitter / receiver and a second free end;
- the radiating electrical conductor is associated with a dielectric material reducing the dimensions of the antenna;
- the radiating electrical conductor is embedded in a dielectric material reducing the dimensions of the antenna; and
- the radiating electrical conductor is positioned on the surface of a dielectric material reducing the dimensions of the antenna.
L'invention a également pour objet un dispositif de réception et d'émission de rayonnements électromagnétiques dans un demi-espace ou dans l'ensemble de l'espace, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs antennes résonantes omnidirectionnelles selon l'une quelconque des revendications précédentes.The invention also relates to a device for receiving and emitting electromagnetic radiation in a half-space or in the entire space, characterized in that it comprises a plurality of omnidirectional resonant antennas according to any one of the preceding claims.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- la
figure 1 représente schématiquement un conducteur électrique raccordé par une première extrémité à un émetteur / récepteur d'ondes et par une seconde extrémité à une masse, ainsi qu'un graphique illustrant la répartition de la densité surfacique de courant le long de ce conducteur. - la
figure 2 représente schématiquement, en perspective, un premier mode de réalisation d'une antenne résonante omnidirectionnelle dans l'espace conforme à l'invention, dimensionnée à partir du graphique de lafigure 1 . - la
figure 3 représente en perspective un second mode de réalisation d'une antenne résonante omnidirectionnelle dans l'espace conforme à l'invention. - la
figure 4 représente un conducteur électrique raccordé par une première extrémité à un émetteur / récepteur d'ondes et dont une seconde extrémité est libre, ainsi qu'un graphique illustrant la répartition de la densité surfacique de courant le long de ce conducteur. - la
figure 5 représente en perspective un troisième mode de réalisation d'une antenne résonante omnidirectionnelle dans l'espace conforme à l'invention, dimensionnée à partir du graphique de lafigure 4 ; et - la
figure 6 représente en perspective un quatrième mode de réalisation d'une antenne résonante omnidirectionnelle dans l'espace selon l'invention.
- the
figure 1 schematically represents an electrical conductor connected by a first end to a wave transmitter / receiver and a second end to a ground, and a graph illustrating the distribution of the current surface density along that conductor. - the
figure 2 represents schematically, in perspective, a first embodiment of an omnidirectional resonant antenna in the space according to the invention, sized from the graph of thefigure 1 . - the
figure 3 represents in perspective a second embodiment of an omnidirectional resonant antenna in the space according to the invention. - the
figure 4 represents an electrical conductor connected at one end to a wave transmitter / receiver and a second end of which is free, and a graph illustrating the distribution of the surface flux density along that conductor. - the
figure 5 represents in perspective a third embodiment of an omnidirectional resonant antenna in the space according to the invention, dimensioned from the graph of thefigure 4 ; and - the
figure 6 represents in perspective a fourth embodiment of an omnidirectional resonant antenna in the space according to the invention.
La
Les aires 14, 16 et 18, sont respectivement proportionnelles au niveau de rayonnement des brins de conducteur électrique 4 compris entre l'extrémité 8 et le point 20, entre les points 20 et 22 et entre le point 22 et l'extrémité 6. On conçoit dès lors qu'à l'aide de la
La
En variante, le plan de masse 38 est un plan dont la largeur et la longueur sont plusieurs fois supérieures à la longueur d'onde λ de la fréquence de travail du conducteur électrique 26. On dit alors que le plan de masse est infini. On notera qu'un plan de masse infini forme un écran au rayonnement électromagnétique d'un conducteur électrique tel que le conducteur 26 et que par conséquent l'antenne résonante est omnidirectionnelle dans un demi-espace. Dans ce cas, les longueurs des brins tels que les brins 28, 30 et 32 sont respectivement inférieures à
Ainsi, à titre d'exemple, pour une longueur d'onde λ = 314 mm et pour un conducteur électrique formé avec une bande de 5 mm de largeur, les longueurs de chacun des brins correspondant aux brins 28, 30 et 32 sont respectivement 53 mm, 30 mm et 3 mm. De plus dans cet exemple, la largeur de la zone de couplage telle que la zone 34 est de 1 mm, la borne 36 a une longueur de 4 mm et le diamètre du fil de liaison avec l'émetteur/récepteur est de 0,2 mm.Thus, for example, for a wavelength λ = 314 mm and for an electrical conductor formed with a band 5 mm wide, the lengths of each of the strands corresponding to the
La
La
La
L'antenne résonante de la
Le fonctionnement de l'antenne résonante omnidirectionnelle dans l'espace va maintenant être décrit à l'aide des
Lors de l'émission d'un rayonnement électromagnétique à la fréquence de travail à l'aide de l'antenne de la
La longueur des brins 28, 30 et 32 est déterminée pour que les aires 14, 16 et 18 aient une surface égale. Par conséquent les niveaux de rayonnement de chacun des brins du conducteur électrique 26 sont les mêmes.The length of the
Par ailleurs, le niveau de rayonnement émis en un point de l'espace quelconque est pratiquement la somme vectorielle du rayonnement émis par chacun des brins 28, 30 et 32. Ces brins sont orthogonaux entre eux et le rayonnement émis par un brin étant parallèle à sa direction, on conçoit dès lors que le rayonnement émis par un brin n'interfère pas avec celui des autres. Ainsi on notera que des brins orthogonaux optimisent le gain de l'antenne en évitant des phénomènes d'interférences destructives. On réalise donc, qu'aucune direction particulière de l'espace n'est privilégiée par cette antenne, puisque les brins sont orthogonaux et que le niveau de rayonnement de chaque brin est le même. Par conséquent, l'antenne ainsi réalisée est pratiquement omnidirectionnelle. On considère ici que le rayonnement est pratiquement omnidirectionnel dans une région prédéterminée de l'espace, si le niveau de rayonnement émis/reçu par l'antenne, suivant deux directions quelconques de cette région de l'espace ne varie pas de plus de 50%.Furthermore, the level of radiation emitted at a point in any space is practically the vector sum of the radiation emitted by each of the
On notera que le plan de masse 38 ne constitue pas un écran au rayonnement électromagnétique et que par conséquent le rayonnement de l'antenne précédente est omnidirectionnel dans l'ensemble de l'espace.It will be noted that the
Lors de la réception d'un rayonnement électromagnétique à la fréquence de travail à l'aide de l'antenne de la
Le fonctionnement de l'antenne représenté à la
En effet, la deuxième partie du conducteur électrique 50 de l'antenne formée par les brins 58, 60 et le demi-brin 66 remplit les fonctions d'un plan de masse s'étendant le long du plan de symétrie 62 pour la première partie formée par les brins 52, 54 et le demi-brin 64. Par conséquent l'étude du fonctionnement de la première partie de l'antenne se ramène à l'étude du fonctionnement d'un conducteur électrique raccordé perpendiculairement à un plan de masse se confondant avec le plan de symétrie 62. Le fonctionnement d'une telle structure a déjà été décrit en regard de la
Réciproquement, la première partie de l'antenne remplit les fonctions de plan de masse se confondant avec le plan de symétrie 62 pour la deuxième partie de l'antenne. Par conséquent, de façon similaire à ce qui vient d'être décrit ci-dessus, le fonctionnement de la deuxième partie de l'antenne se ramène à l'étude d'une antenne dont la structure est similaire à celle décrite en regard de la
Le fonctionnement des antennes résonantes représentées respectivement aux
En variante le conducteur électrique des exemples précédents de réalisation se compose de brins formés avec des éléments filaires au lieu de brins en forme de bande. Le diamètre du fil formant chaque brin est déterminé pour ajuster l'impédance réelle d'une telle antenne à celle de l'émetteur/récepteur d'ondes.As a variant, the electrical conductor of the preceding embodiments consists of strands formed with wire elements instead of strands in the form of a strip. The diameter of the wire forming each strand is determined to adjust the actual impedance of such an antenna to that of the wave transmitter / receiver.
En variante le conducteur électrique des exemples précédents de réalisation se compose de brins de formes quelconques dont on sait calculer la répartition de la densité surfacique de courant à la fréquence de travail.As a variant, the electrical conductor of the preceding examples of embodiment consists of strands of any shape, the distribution of the surface density of the current at the working frequency being known to be calculated.
Avantageusement un dispositif de réception et d'émission de rayonnements électromagnétiques comporte plusieurs antennes résonantes omnidirectionnelles dans un demi-espace ou dans l'ensemble de l'espace telles que celles décrites ci-dessus adaptées chacune pour recevoir et émettre une longueur d'onde prédéterminée. Ainsi, le dispositif de réception et d'émission est à la fois omnidirectionnel dans un demi-espace ou dans l'ensemble de l'espace, et apte à recevoir et émettre à différentes longueurs d'onde.Advantageously, a device for receiving and transmitting electromagnetic radiation comprises a plurality of omnidirectional resonant antennas in a half space or in the whole of the space such as those described above each adapted to receive and emit a predetermined wavelength. . Thus, the receiving and transmitting device is both omnidirectional in a half-space or in the whole of the space, and able to receive and transmit at different wavelengths.
Claims (18)
- An omnidirectional resonant antenna in half or whole of space including a single radiating electric conductor (26; 50; 86; 110) forming a monopole with a total length resonating at a predetermined frequency and a predetermined current surface density distribution along the electric conductor formed with at least three strands (28, 30, 32; 52, 54, 56, 58, 60; 90; 92; 94; 112; 114; 116) put end to end, the length of each strand and the orientation of the strands relatively to each other, contributing to determining the global radiation of the electric conductor, the strands being oriented along at least three different directions in space and being orthogonal two by two with each other, characterized in that the integral of the current surface density along each strand has a same value.
- The resonant antenna according to claim 1, characterized in that the radiating electric conductor (50) includes two symmetrical portions relatively to a plane of symmetry (62) in order to obtain omnidirectional radiation of the electric conductor in the whole of space.
- The resonant antenna according to claim 2, characterized in that the radiating electric conductor (50) consists of first, second, third, fourth and fifth strands (52, 54, 56, 58, 60), the fourth and the fifth strands (58, 62) respectively being images by symmetry of the second and first strands (52, 54) relatively to the middle plane of symmetry (62) of the third strand (56).
- The antenna according to claim 1, characterized in that a strand at the end of the radiating electric conductor (26; 86) is positioned, and perpendicularly to a ground plane (38; 96).
- The antenna resonating at a wavelength λ according to claim 4, characterized in that the dimensions of the ground plane (38; 96) are less than the X wavelength in order to obtain omnidirectional radiation of the electric conductor in the whole of space.
- The antenna resonating at a wavelength λ according to claim 4, characterized in that the dimensions of the ground plane are several times greater than the wavelength λ in order to obtain directional radiation of the electric conductor in a half space.
- The resonant antenna according to claim 6, characterized in that it includes ground elements (124, 126, 128, 130, 132, 134), and in that the strands (112, 114, 116) of the radiating electric conductor (110) are respectively coplanar with the latter.
- The resonant antenna according to any of claims 4 to 7, characterized in that the radiating electric conductor (26) includes a first end connected to a wave transmitter/receiver (37) and a second end connected to the ground plane (38).
- The resonant antenna according to any of claims 4 to 7, characterized in that the radiating electric conductor (110) includes a first end connected to a wave transmitter/receiver (138) and a second end connected to the ground elements (120, 122).
- The resonant antenna according to claim 8 or 9, characterized in that the radiating electric conductor (26) is connected to the wave transmitter/receiver (37) via an electromagnetic coupling zone (34).
- The resonant antenna according to claim 10, characterized in that the dimensions of the electromagnetic coupling zone (34) partly determine the real impedance of the antenna.
- The resonant antenna according to any of claims 4 to 11, characterized in that the radiating electric conductor (26; 86; 110) consists of first, second and third strands (28, 30, 32; 90, 92, 94; 112, 114, 116).
- The resonant antenna according to any of the preceding claims, characterized in that the consecutive strands (28, 30, 32; 52, 54, 56, 58, 60; 90, 92, 94; 112, 114, 116) of the radiating electric conductor are oriented along two directions orthogonal to each other.
- The resonant antenna according to any of the preceding claims, characterized in that the strands (28, 30, 32; 52, 54, 56, 58, 60; 90, 92, 94; 112, 114, 116) are each formed with a strip, the width of which is determined so as to adapt, at least partly, the real impedance of the antenna to the impedance of a wave transmitter/receiver intended to be connected to the antenna.
- The resonant antenna according to any of the preceding claims, characterized in that the radiating electric conductor (26; 50; 86; 110) consists of wire strands.
- The resonant antenna according to one of claims 1 to 7 and 12 to 15, characterized in that the radiating electric conductor (86) includes a first end connected to a wave transmitter/receiver and a second free end.
- The resonant antenna according to any of the preceding claims, characterized in that the radiating electric conductor (86) is associated with a dielectric material (98), reducing the dimensions of the antenna.
- A device for receiving and transmitting electromagnetic radiation in half or in the whole of space, characterized in that it includes several omnidirectional resonant antennas according to any of the preceding claims.
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