EP1432073B1 - Antenne colinéaire du type coaxial alterné - Google Patents

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EP1432073B1
EP1432073B1 EP03293087A EP03293087A EP1432073B1 EP 1432073 B1 EP1432073 B1 EP 1432073B1 EP 03293087 A EP03293087 A EP 03293087A EP 03293087 A EP03293087 A EP 03293087A EP 1432073 B1 EP1432073 B1 EP 1432073B1
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EP
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radiating
antenna
cylindrical
conductive
zones
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EP03293087A
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Frédéric DIXIMUS
David Oliveira
Daniel Leclerc
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Amphenol Socapex SA
Original Assignee
Amphenol Socapex SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path
    • H01Q21/10—Collinear arrangements of substantially straight elongated conductive units

Definitions

  • the present invention relates to a collinear antenna of the alternating coaxial type.
  • the antenna consists of a series of dipoles D1, D2, D3, etc. interconnected by DF1, DF2 phase shifters, etc. More specifically, each dipole D1 is constituted by a conductive tube element 10 and the antenna further comprises two parallel rectilinear conductive elements 12 and 14.
  • the conductive cylinders 10, 12, 14, etc., constituting the dipoles D1, D2, D3 are alternately welded on one of the conductors 12 and 14 and surround the other conductor.
  • the dipole D1 is constituted by the cylindrical element 10 coaxial with the conductive element 14 and soldered on the conductive element 12.
  • the phase shifter elements DF consist in the fact that the same conductive element 12, 14 passes from a position where it is welded to the cylindrical conductive member at a position in which it is disposed along the axis of the next cylindrical conductive member. This change of disposition corresponds substantially to a phase shift of ⁇ / 2. Thus, overall, an addition is obtained of the currents flowing in the portions of the conductors 12 and 14 corresponding to the different dipoles.
  • the alternating position of the conductive cylinders, with respect to the two conductive rectilinear elements makes the radiation pattern of the whole of the antenna is not symmetrical, and the antenna is therefore not omnidirectional.
  • each dipole is constituted by the cylindrical conductive element and the linear conductor disposed along the axis of this cylinder. It follows from this configuration that the physical length of the cylindrical tube does not correspond to the radiating length thereof. The antenna is therefore not properly tuned to its working frequency.
  • An object of the present invention is to provide a collinear antenna of the alternating coaxial type which makes it possible to obtain a current distribution on the antenna such that the radiation pattern is effectively omnidirectional.
  • the successive dipoles consist of radiating elements formed from a conductive cylindrical element and two conductive cylindrical elements and that, moreover, the antenna comprises three linear conducting elements
  • the The antenna structure is symmetrical and the radiated electric field is also symmetrical.
  • each cylindrical conductive element Due to the presence of the disk of dielectric material inside each cylindrical conductive element, it is possible to compensate for the difference between the physical length of the cylindrical conductor and its electrical length as an antenna without thereby making the production more complex. of the antenna. We understand more that these disks made of dielectric material allow the mechanical maintenance of the cylindrical elements with respect to the rectilinear conductive wire elements.
  • FIG. 2 shows the antenna 20 as a whole. Functionally, it is constituted by a radiating part 22, a blocking end 24 opposite to the connection zone of the antenna cable 26 and at its end close to its connection to the cable, the antenna preferably comprises two current traps referenced respectively 28 and 30.
  • the radiating part 20 of the antenna is constituted by a succession of radiating or radiating zones formed by first radiating zones 32 1 , 32 2 , etc., and by second radiating zones 34 1 , 34 2 , etc., the second radiating zones being arranged alternately with the first radiating zones.
  • the radiating part 22 of the antenna is made from three straight conductors 36, 38 and 40 parallel to each other.
  • the conductor 38 will be called the central linear conductor and the other two conductors will be called lateral linear conductors. The latter are equidistant from the central conductor 38.
  • the first radiating zones 32 1 , 32 2 , etc. are constituted by two cylindrical conductive surfaces respectively referenced 42 and 44.
  • the second radiating zones 34 1 , 34 2 , etc. consist of by a single substantially cylindrical conductive surface 46.
  • the second radiating zone 34 i is, as already indicated, constituted by a conducting cylinder 46 whose diameter d is substantially equal to the distance which separates the rectilinear lateral conductors 36 and 40.
  • the cylinders 46 constituting the second zones radiating have a length L.
  • the axis XX 'of the cylinder 46 is coincident with the central rectilinear conductor 38 while its outer face 36a is welded to the lateral conductors 36 and 40. This establishes an electrical connection between the cylinders 46 constituting the second radiating zones 34 i and the lateral conductors 36 and 40.
  • the first radiating zones 32 i are, as already indicated, constituted by two conductive cylinders 42 and 44 identical to each other and preferably identical to the cylinder 46 constituting the second radiating zone 34 i .
  • the cylinders 42 and 44 therefore also have a diameter d and a length L.
  • Each cylinder 42, 44 has its axis respectively YY 'and ZZ' respectively coincident with the straight lateral conductors 36 and 40.
  • the outer face respectively 44a and 42a of the cylinders conductors 42 and 44 is welded to the central conductor 38. An electrical connection is thus established between the pairs of cylinders 42 and 44 constituting the first radiating zones 32 i and the central conductor 38.
  • the length L of the cylinders 42, 44 and 46 corresponds to at the half-wavelength ⁇ / 2.
  • this space has a length e.
  • the bandwidth of the antenna is improved if the diameter of conductive cylindrical surfaces 42, 44 and 46 is increased. suitable value of d is 0.08 ⁇ .
  • a dielectric disk 50 is mounted inside the conductive cylinder 42, 44 or 46, which may, for example, be made of Teflon .
  • the introduction of this disk 50 makes it possible to compensate the electrical length in the conductive cylinder 42 and in the rectilinear conductor 40.
  • the antenna 20 also preferably comprises, at its end 52 of connection to the coaxial antenna cable 26, two current traps 28 and 30.
  • current 28, 30 is constituted by a conductive cylindrical surface 54, 56 coaxial with the cable 26 and whose length L 'corresponds to ⁇ / 4, ⁇ being the working wavelength of the antenna.
  • the lower end 54a, 56a of the cylinders 54 and 56 is connected to the outer face 26a of the coaxial cable 26 by an annular portion 58 and 60 also conductive.
  • the radiating zones consist of one or two cylindrical conductive surfaces of ratio L / d, the ratio is of the order of 5.
  • the antenna Due to the realization of the alternating radiating zones formed by a conductive cylindrical surface and two conductive cylindrical surfaces, the antenna generally has a geometric symmetry with respect to the central rectilinear conductor 38. thus a radiation pattern in the most omnidirectional azimuth possible.
  • the realization of the antenna is simple since it consists in welding the conductive cylindrical surfaces 42, 44 and 46 on the rectilinear electrical conductors 36, 38 and 40. It should be added that, in the case where each conductive cylinder is equipped with a dielectric disk, this dielectric disk is at the same time a spacer for mechanically holding the conductive cylindrical surface relative to the rectilinear electrical conductor and centering the cylindrical tube / rod assemblies.

Landscapes

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

Description

  • La présente invention a pour objet une antenne colinéaire du type coaxial alterné.
  • De telles antennes ont déjà été décrites notamment dans le brevet US 2 158 376 dont une figure a été reproduite comme figure 1 annexée, ou dans le brevet US 5 600 338.
  • L'antenne est constituée par une suite de dipôles D1, D2, D3, etc. raccordés entre eux par des systèmes déphaseurs DF1, DF2, etc. Plus précisément, chaque dipôle D1 est constitué par un élément de tube conducteur 10 et l'antenne comporte en outre deux éléments conducteurs rectilignes parallèles 12 et 14. Les cylindres conducteurs 10, 12, 14, etc., constituant les dipôles D1, D2, D3 sont alternativement soudés sur un des conducteurs 12 et 14 et entourent l'autre conducteur. Par exemple, le dipôle D1 est constitué par l'élément cylindrique 10 coaxial à l'élément conducteur 14 et soudé sur l'élément conducteur 12. Les éléments déphaseurs DF consistent dans le fait qu'un même élément conducteur 12, 14 passe d'une position où il est soudé sur l'élément conducteur cylindrique à une position dans laquelle il est disposé selon l'axe de l'élément conducteur cylindrique suivant. Ce changement de disposition correspond sensiblement à un déphasage de λ/2. On obtient donc ainsi globalement une addition des courants circulant dans les portions des conducteurs 12 et 14 correspondant aux différents dipôles. Cependant, la position alternée des cylindres conducteurs, par rapport aux deux éléments rectilignes conducteurs fait que le diagramme de rayonnement de l'ensemble de l'antenne n'est pas symétrique, et l'antenne n'est donc pas omnidirectionnelle.
  • Un autre inconvénient de l'antenne décrite dans le brevet américain mentionné ci-dessus réside dans le fait que chaque dipôle est constitué par l'élément conducteur cylindrique et le conducteur linéaire disposé selon l'axe de ce cylindre. Il résulte de cette configuration que la longueur physique du tube cylindrique ne correspond pas à la longueur rayonnante de celui-ci. L'antenne n'est donc pas convenablement accordée sur la fréquence de travail de celle-ci.
  • Un objet de la présente invention est de fournir une antenne colinéaire du type coaxial alterné qui permette d'obtenir une distribution de courant sur l'antenne telle que le diagramme de rayonnement est effectivement omnidirectionnel.
  • Pour atteindre ce but selon l'invention, une antenne du type colinéaire est caractérisée en ce qu'elle comprend une partie rayonnante comportant :
    • trois éléments filaires conducteurs sensiblement rectilignes et parallèles entre eux, comprenant un conducteur central et deux conducteurs latéraux ; et
    • 2N zones rayonnantes constituées par une alternance de premières zones rayonnantes et de deuxièmes zones rayonnantes :
      • .. chaque première zone rayonnante comprenant en outre un élément conducteur cylindrique dont l'axe est confondu avec ledit élément filaire central et qui est relié électriquement auxdits deux éléments filaires latéraux ;
      • .. chaque deuxième zone rayonnante comprenant en outre deux éléments conducteurs cylindriques dont les axes sont respectivement sensiblement confondus avec les éléments filaires latéraux, lesdits éléments cylindriques étant reliés électriquement audit élément filaire central ; un espace étant laissé entre deux zones rayonnantes consécutives.
  • On comprend en effet que, grâce au fait que les dipôles successifs sont constitués par des éléments rayonnants formés à partir d'un élément cylindrique conducteur et de deux éléments cylindriques conducteurs et que, de plus, l'antenne comporte trois éléments conducteurs linéaires, la structure de l'antenne est symétrique et le champ électrique rayonné l'est donc également.
  • Chaque élément cylindrique de longueur l comprend intérieurement un disque en un matériau diélectrique de coefficient ε, orthogonal à l'élément filaire, dont la longueur l' selon la direction de l'élément filaire est telle que : l + ε l ′ = λ / 2
    Figure imgb0001
  • Grâce à la présence du disque en matériau diélectrique à l'intérieur de chaque élément conducteur cylindrique, on peut compenser la différence qui existe entre la longueur physique du conducteur cylindrique et sa longueur électrique en tant qu'antenne sans pour cela rendre plus complexe la réalisation de l'antenne. On comprend de plus que ces disques en matériau diélectrique permettent le maintien mécanique des éléments cylindriques par rapport aux éléments filaires conducteurs rectilignes.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs.
  • La description se réfère aux figures annexées, sur lesquelles :
    • la figure 1 déjà décrite montre une antenne colinéaire coaxiale alternée de type connu ;
    • la figure 2 est une vue en perspective de l'ensemble de l'antenne conforme à l'invention ;
    • la figure 3 est une vue en coupe verticale partielle de l'antenne selon l'invention ; et
    • la figure 4 est une vue partielle montrant une zone rayonnante d'un type perfectionné.
  • La figure 2 montre l'ensemble de l'antenne 20. Fonctionnellement, celle-ci est constituée par une partie rayonnante 22, une extrémité de blocage 24 opposée à la zone de connexion du câble d'antenne 26 et à son extrémité proche de sa connexion au câble, l'antenne comprend de préférence deux pièges à courant référencés respectivement 28 et 30.
  • La partie rayonnante 20 de l'antenne est constituée par une succession de zones rayonnantes ou radiantes formées par des premières zones rayonnantes 321, 322, etc., et par des deuxièmes zones rayonnantes 341, 342, etc., les deuxièmes zones rayonnantes étant disposées en alternance avec les premières zones rayonnantes.
  • Du point de vue de sa construction, la partie rayonnante 22 de l'antenne est réalisée à partir de trois conducteurs rectilignes 36, 38 et 40 parallèles entre eux. Le conducteur 38 sera appelé conducteur linéaire central et les deux autres conducteurs seront appelés conducteurs linéaires latéraux. Ces derniers sont équidistants du conducteur central 38. Les premières zones rayonnantes 321, 322, etc., sont constituées par deux surfaces conductrices cylindriques respectivement référencées 42 et 44. Les deuxièmes zones rayonnantes 341, 342, etc., sont constituées par une unique surface conductrice sensiblement cylindrique 46.
  • En se référant maintenant à la figure 3, on va décrire plus en détail la réalisation des premières zones rayonnantes 32i et des deuxièmes zones rayonnantes 34i.
  • La deuxième zone rayonnante 34i est, comme on l'a déjà indiqué, constituée par un cylindre conducteur 46 dont le diamètre d est sensiblement égal à la distance qui sépare les conducteurs rectilignes latéraux 36 et 40. Les cylindres 46, constituant les deuxièmes zones rayonnantes, présentent une longueur L. L'axe X-X' du cylindre 46 est confondu avec le conducteur rectiligne central 38 alors que sa face externe 36a est soudée sur les conducteurs latéraux 36 et 40. On établit ainsi une connexion électrique entre les cylindres 46 constituant les deuxièmes zones rayonnantes 34i et les conducteurs latéraux 36 et 40.
  • Les premières zones rayonnantes 32i sont, comme on l'a déjà indiqué, constituées par deux cylindres conducteurs 42 et 44 identiques tous les deux et de préférence identiques au cylindre 46 constituant la deuxième zone rayonnante 34i. Les cylindres 42 et 44 ont donc également un diamètre d et une longueur L. Chaque cylindre 42, 44 a son axe respectivement Y-Y' et Z-Z' confondu respectivement avec les conducteurs rectilignes latéraux 36 et 40. La face externe respectivement 44a et 42a des cylindres conducteurs 42 et 44 est soudée sur le conducteur central 38. On établit ainsi une connexion électrique entre les paires de cylindres 42 et 44 constituant les premières zones rayonnantes 32i et le conducteur central 38. La longueur L des cylindres 42, 44 et 46 correspond à la demi-longueur d'onde λ/2.
  • Il faut ajouter qu'un espace, qui sera défini ultérieurement 48i, est prévu entre les différentes zones rayonnantes 32i et 34i, cet espace présente une longueur e.
  • Du fait qu'à chaque passage d'une première zone rayonnante 32i à une deuxième zone rayonnante 34i, les différents conducteurs rectilignes 36, 38 et 40 passent d'une position de coaxialité à une position de connexion au cylindre conducteur, on obtient ainsi sensiblement un déphasage de 180° entre deux zones rayonnantes successives, ce qui permet d'obtenir effectivement la somme des courants circulant dans chaque zone rayonnante en émission ou en réception.
  • La bande passante de l'antenne est améliorée si on augmente le diamètre d des surfaces cylindriques conductrices 42, 44 et 46. Une valeur convenable de d est de 0,08 λ. Cependant, les déphasages dans les surfaces cylindriques conductrices et dans les conducteurs rectilignes 36, 38 et 40 sont différents pour une même longueur physique de conducteur. Pour compenser ces déphasages différents, selon un mode perfectionné de réalisation de l'antenne représentée sur la figure 4, on monte à l'intérieur du cylindre conducteur 42, 44 ou 46 un disque diélectrique 50 qui peut, par exemple, être réalisé en Téflon. L'introduction de ce disque 50 permet de compenser la longueur électrique dans le cylindre conducteur 42 et dans le conducteur rectiligne 40. La longueur l' du disque diélectrique 50 selon la direction du conducteur rectiligne 40 peut être déterminée de la manière suivante. Si l'on appelle l' la longueur du diélectrique de constante diélectrique ε et l la longueur du cylindre 42, on doit avoir la relation. λ / 2 = l + ε l ′
    Figure imgb0002
  • Ainsi qu'on l'a déjà indiqué en liaison avec la figure 2, de préférence l'antenne 20 comprend également, à son extrémité 52 de raccordement au câble coaxial d'antenne 26, deux pièges à courant 28 et 30. Chaque piège à courant 28, 30 est constitué par une surface cylindrique conductrice 54, 56 coaxiale au câble 26 et dont la longueur L' correspond à λ/4, λ étant la longueur d'onde de travail de l'antenne. L'extrémité inférieure 54a, 56a des cylindres 54 et 56 est raccordée à la face externe 26a du câble coaxial 26 par une portion annulaire 58 et 60 également conductrice.
  • Dans un mode préféré de réalisation, l'antenne comporte N = 14 zones rayonnantes. Les zones rayonnantes sont constituées par une ou deux surfaces conductrices cylindriques de rapport L/d, le rapport est de l'ordre de 5.
  • Avec cette antenne, on obtient pour la longueur d'onde de travail de 52 mm, une bande passante de l'ordre de 2,5 % et un gain de 10 dBiso.
  • Du fait de la réalisation des zones rayonnantes alternées constituées par une surface cylindrique conductrice et deux surfaces cylindriques conductrices, l'antenne présente globalement une symétrie géométrique par rapport au conducteur rectiligne central 38. On obtient ainsi un diagramme de rayonnement en azimut le plus omnidirectionnel possible. En outre, la réalisation de l'antenne est simple puisqu'elle consiste dans le soudage des surfaces cylindriques conductrices 42, 44 et 46 sur les conducteurs électriques rectilignes 36, 38 et 40. Il faut ajouter que, dans le cas où chaque cylindre conducteur est équipé d'un disque diélectrique, ce disque diélectrique constitue en même temps une entretoise de maintien mécanique de la surface cylindrique conductrice par rapport au conducteur électrique rectiligne et un centrage des ensembles tubes cylindriques/tiges.

Claims (5)

  1. Antenne du type colinéaire (20) caractérisée en ce qu'elle comprend une partie rayonnante (22) comportant :
    - trois éléments filaires conducteurs (36,38,40) sensiblement rectilignes et parallèles entre eux, comprenant un conducteur central (38) et deux conducteurs latéraux (36, 40),
    - et 2N zones rayonnantes (321,322...341,342...) constituées par une alternance de premières zones rayonnantes (321, 322,...) et de deuxièmes zones rayonnantes (341,342,...):
    .. chaque deuxième zone rayonnante (341, 342...) comprenant en outre un élément conducteur cylindrique (46) dont l'axe est confondu avec ledit élément filaire central (38) et qui est relié électriquement auxdits deux éléments filaires latéraux (36,40),
    .. chaque première zone rayonnante (321, 322,...) comprenant en outre deux éléments conducteurs cylindriques (42,44) dont les axes sont respectivement sensiblement confondus avec les éléments filaires latéraux (36, 40) lesdits éléments cylindriques étant reliés électriquement audit élément filaire central (38); un espace (48) étant laissé entre deux zones rayonnantes consécutives (32i, 34i).
  2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque élément cylindrique (42,44,46) résonne à la demi-longueur d'onde.
  3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque élément cylindrique (42,44,46) de longueur l comprend intérieurement un disque en un matériau diélectrique (50) de coefficient ε, orthogonal à l'élément filaire (36, 38, 40) dont la longueur l' selon la direction de l'élément filaire est telle que : l + ε l ′ = λ / 2
    Figure imgb0003
  4. Antenne selon l'une quelconque, des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend à son extrémité de raccordement (52) au câble d'antenne (26) au moins un piège à courant (28,30) comprenant au moins un élément conducteur entourant ledit câble, de longueur λ/4 et relié électriquement audit câble (26).
  5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le rapport entre la longueur d'un élément conducteur cylindrique (42,44,46) et son diamètre est de l'ordre de 5.
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