EP1516392B1 - Antenne a brins - Google Patents

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EP1516392B1
EP1516392B1 EP03760761A EP03760761A EP1516392B1 EP 1516392 B1 EP1516392 B1 EP 1516392B1 EP 03760761 A EP03760761 A EP 03760761A EP 03760761 A EP03760761 A EP 03760761A EP 1516392 B1 EP1516392 B1 EP 1516392B1
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EP
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antenna
antenna according
strand
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EP03760761A
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EP1516392A1 (fr
Inventor
Marc Le Goff
Luc Duchesne
Jean-Marc Baracco
Patrick Dumon
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Centre National dEtudes Spatiales CNES
Societe d'Applications Technologiques de l'Imagerie Micro Onde SATIMO SA
Original Assignee
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Societe d'Applications Technologiques de l'Imagerie Micro Onde SATIMO SA
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Publication date
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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
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/42—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
    • 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
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/32—Vertical arrangement of element
    • H01Q9/36—Vertical arrangement of element with top loading
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/44—Resonant antennas with a plurality of divergent straight elements, e.g. V-dipole, X-antenna; with a plurality of elements having mutually inclined substantially straight portions
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    • H01Q9/44—Resonant antennas with a plurality of divergent straight elements, e.g. V-dipole, X-antenna; with a plurality of elements having mutually inclined substantially straight portions
    • H01Q9/46—Resonant antennas with a plurality of divergent straight elements, e.g. V-dipole, X-antenna; with a plurality of elements having mutually inclined substantially straight portions with rigid elements diverging from single point

Definitions

  • the invention relates to circularly polarized antennas, and more specifically to antennas having a radiation pattern of revolution about an axis and having a maximum of radiation in the plane perpendicular to the direction of this axis.
  • the invention relates more specifically to antennas in patch technology.
  • Plated or printed antennas group together all aerials made using a technology consisting in placing a thin metal conductor over a ground plane.
  • This metallic conductive wire constitutes the radiating element of the antenna and is of reduced size and may be of arbitrary shape. In practice, it is often of simple geometry such as a square, a rectangle, a disk or a ring.
  • This type of antenna has the advantages of microstrip lines: low mass and small footprint, planar structures can be shaped, possibility of mass production thus allowing low cost production.
  • the object of the invention is to improve the existing antennas and to provide an antenna which is simple to implement, and of reduced size, while providing a natural circular polarization which is particularly clear.
  • the antenna consists of three main elements, namely a rigid and rectilinear feed wire 100, a set 200 of four radiating strands, and a ground plane 300.
  • the four strands referenced 210, 220, 230 and 240, are located in a plane perpendicular to the axis of the wire 100, and the ground plane 300 is placed parallel to the main plane of the strands.
  • the general shape delimited by the strands as well as the ground plane 300 are both centered geometrically on the feed wire 100.
  • the wire 100 thus defines here a principal axis of symmetry X of the antenna.
  • Each strand 210, 220, 230, 240 is electrically connected to the wire 100. From the feed wire 100 of each strand has a shape similar to that of the strand 210, which will now be described.
  • the strand 210 firstly describes an initial segment 210 which is here strictly radial and which ends at a distance from the X axis by a bend 213, bend 213 which then initiates the arcuate portion 214 of the strand considered 100.
  • This arcuate portion or segment 214 here describes an angle of 90 ° about the axis, to end again with a bend 215 at right angles. This second bend 215 then initiates a terminal segment 216 of the considered strand directed towards the axis of symmetry X, stopping near the axis 100 without touching it.
  • Each of the strands has the same configuration, the arcuate portion rotating about the axis 100 in the same direction (trigonometric or inverse trigonometric) for each strand.
  • Each strand turns here in the opposite trigonometric direction with respect to the X axis.
  • the set of strands defines by its outline a circular shape separated into four arcs of 90 °.
  • Each of the strands describes, by its two rectilinear segments and its segment in an arc, the outline of a quarter constituting a quarter of a disc.
  • each of these strands furthermore describes two substantially radial segments, situated at 90 ° to one another, and each along a neighboring segment belonging to a neighboring strand.
  • all of the strands 210, 220, 230 and 240 form four pairs of parallel and radial segments, each considered segment of a pair belonging to a different strand. These pairs of parallel segments are present every 90 degrees around the axis of symmetry of the antenna.
  • the feed wire 100 is here a straight wire stopping at the center of the strands, and not extending beyond the plane thereof.
  • This feed wire 100 is constituted by the central conductor of a coaxial cable.
  • the outer armature 150 of this coaxial cable stops, meanwhile, well before the inner conductor of the coaxial cable.
  • the coaxial outer armature 150 is in electrical connection with the ground plane 300, which forms a conductive disc of the same diameter as the circle of the strands and parallel to the latter.
  • This solid disc 300 is at a distance from the strands which is of the order of the diameter of the circle described by these strands.
  • the outer armature of the coaxial cable connects it to a potential different from that supplying the strands.
  • the two conductors 100 and 150 of the coaxial cable are connected to the terminals of an electrical source, not shown here, which is beyond the ground plane 300, opposite the strands.
  • the ground plane 300 is therefore between this source and the plane of the strands.
  • the power source (not shown) can be produced for example by means of a printed planar technology circuit, a power supply according to this technology that can alternatively be placed anywhere in the antenna, for example in the plane of the strands. or on the mass plan 300.
  • the mechanical axis constituted by the feed wire 100 is also the axis of symmetry of the radiation pattern.
  • a maximum of radiation is emitted on the horizon, that is to say axially around the wire 100 and in the direction of the plane of the strands, while a minimum of radiation is present in the direction defined by the axis of symmetry.
  • the antenna In a rather wide relative frequency band (> 10%), the antenna generates a natural circular polarization. Indeed, on this frequency band, the central part of the antenna, and in particular the vertical feed wire 100 of the antenna, generates a vertically polarized component of the electromagnetic field having a maximum on the horizon.
  • the circular peripheral portion of the antenna generates a component of the horizontally polarized electromagnetic field also having a maximum on the horizon.
  • the gain obtained with this antenna is typically 2 dB for elevation angles between 0 ° and 60 °.
  • the geometry of the antenna also makes it possible to obtain a phase shift of 90 ° between these two radiated components and the same amplitude for each of them.
  • a circular polarization is thus obtained with a maximum directed on the horizon.
  • the winding direction of the strands sets the main polarization.
  • the inverse trigonometric winding direction as shown here implies a right circular polarization.
  • Each strand has a length of the order of half a wavelength at the working frequency, that is to say of the order of one half-wavelength at the preferred frequency for this antenna.
  • additional strands can be superimposed on the four initial strands. These additional strands may be electrically connected or not to the initial strands and may be of the same size or not as the initial strands.
  • Multifrequency mode operation is also possible, either by means of the stacking of several sets of strands such as that described here, preferably in parallel and superimposed planes and of different diameters, or by means of a multiplexer connected to an assembly. coplanar strands.
  • the total thickness of the proposed antenna is low compared to the wavelength (typically of the order of 0.04 ⁇ ), which makes it compact.
  • the antenna shown here is very compact because its strands are folded.
  • the outer diameter of the circle composed of the four radiating strands is of the order of 0.25 ⁇ , where ⁇ is the preferred working wavelength for this antenna.
  • Such a small diameter allows a reduced size of the antenna with respect to the wavelength.
  • the different elements of this antenna can be made of metal.
  • the mass of this antenna can, by the choice of a suitable material, be even weaker.
  • the antenna is fed by a single wire and no additional phase shift circuit is necessary for its operation which makes it a simple structure to achieve both electrical and mechanical level.
  • This antenna and in particular all the strands is easily achievable in plated technology, that is to say for example by making all the strands in the form of a printed circuit on a substrate film.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Input Circuits Of Receivers And Coupling Of Receivers And Audio Equipment (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Support Of Aerials (AREA)
  • Ropes Or Cables (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)

Description

  • L'invention concerne les antennes à polarisation circulaire, et plus précisément les antennes présentant un diagramme de rayonnement de révolution autour d'un axe et présentant un maximum de rayonnement dans le plan perpendiculaire à la direction de cet axe.
  • L'invention concerne plus spécifiquement les antennes en technologie plaquée (patch).
  • Le concept d'antenne imprimée (ou antenne "patch" ou antenne "microstrip") est apparu dès 1953 avec DESCHAMPS [1], et les premières réalisations ont été effectuées dans les années 70 par HOWELL et NUNSON [2].
  • Les antennes plaquées ou imprimées regroupent l'ensemble des aériens réalisés suivant une technologie consistant à placer un fin conducteur métallique au-dessus d'un plan de masse. Ce fil conducteur métallique constitue l'élément rayonnant de l'antenne et est de dimensions réduites et peut être de forme arbitraire. Dans la pratique, il est souvent de géométrie simple telle un carré, un rectangle, un disque ou un anneau.
  • Ce type d'antenne possède les avantages des lignes microrubans : faible masse et encombrement réduit, structures planaires pouvant être conformées, possibilité de fabrication en grande série autorisant ainsi une production de faible coût.
  • Cette technologie a donc vu de larges applications dans les domaines tels que l'aéronautique, le spatial, les télécommunications grand public (antennes de téléphones portables), ...
  • La technologie d'antennes plaquées ou "patch" est très largement diffusée au travers d'ouvrages de référence internationale: [5], [6], [7]
  • On connaît par ailleurs du document US-A-2 521 550 une antenne filaire incluant une série de brins situés sensiblement dans un même plan principal, chacun des brins étant alimenté par un même fil conducteur et décrivant un segment initial qui est radial par rapport à un axe géométrique perpendiculaire au plan principal, puis chacun des brins se prolongeant selon un arc de cercle centré sur cet axe géométrique puis décrivant à nouveau un segment sensiblement radial dirigé en direction de l'axe géométrique, logeant ainsi un segment radial du brin voisin sans le toucher.
  • Le document EP 0 5120 876 décrit une antenne selon le préambule de la revendication 1.
  • Le but de l'invention est d'améliorer les antennes existantes et de proposer une antenne qui soit simple de réalisation, et de dimension réduite, tout en fournissant une polarisation circulaire naturelle qui soit particulièrement nette.
  • Ce but est atteint selon l'invention grâce à une antenne selon la revendication 1.
  • D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence à la figure unique ci-jointe, représentant en perspective, sous forme d'une structure éclatée et développée en volume pour plus de clarté, une antenne selon une variante préférée de l'invention.
  • Sur cette figure, l'antenne est constituée de trois éléments principaux, à savoir un fil d'alimentation rigide et rectiligne 100, un ensemble 200 de quatre brins rayonnants, et un plan de masse 300. Les quatre brins, référencés 210, 220, 230 et 240, sont situés dans un plan perpendiculaire à l'axe du fil 100, et le plan de masse 300 est placé parallèlement au plan principal des brins. La forme générale délimitée par les brins ainsi que le plan de masse 300 sont tous deux centrés géométriquement sur le fil d'alimentation 100.
  • Le fil 100 définit donc ici un axe principal de symétrie X de l'antenne.
  • Chaque brin 210, 220, 230, 240 est électriquement relié au fil 100. A partir du fil d'alimentation 100 de chaque brin présente une forme semblable à celle du brin 210, que l'on décrira maintenant. Le brin 210 décrit d'abord un segment initial 210 qui est ici strictement radial et qui se termine à distance de l'axe X par un coude 213, coude 213 qui initie alors la partie en arc de cercle 214 du brin considéré 100.
  • Cette partie ou segment en arc de cercle 214 décrit ici un angle de 90° autour de l'axe, pour se terminer à nouveau par un coude 215 à angle droit. Ce second coude 215 initie alors un segment terminal 216 du brin considéré dirigé vers l'axe de symétrie X, s'arrêtant à proximité de l'axe 100 sans le toucher.
  • Chacun des brins présente la même configuration, la partie en arc de cercle tournant autour de l'axe 100 dans un même sens (trigonométrique ou inverse trigonométrique) pour chaque brin. Chaque brin tourne ici dans le sens inverse trigonométrique par rapport à l'axe X.
  • L'ensemble des brins définit par son contour une forme circulaire séparée en quatre arcs de 90°. Chacun des brins décrit, par ses deux segments rectilignes et son segment en arc de cercle, le contour d'un quartier constituant le quart d'un disque.
  • Ces quartiers sont directement côte à côte les uns des autres et, les brins ayant tous le même sens inverse trigonométrique, chaque segment radial qui est relié au fil central est bordé par un segment radial, qui, lui, n'est pas relié au fil d'alimentation 100.
  • Ainsi, non seulement l'ensemble des quatre brins 210 à 240 définit une configuration générale circulaire autour de cet axe géométrique X, mais chacun de ces brins décrit en outre deux segments sensiblement radiaux, situés à 90° l'un de l'autre, et longeant chacun un segment voisin appartenant à un brin voisin. Ainsi,l'ensemble des brins 210, 220, 230 et 240 forme quatre couples de segments parallèles et radiaux, chaque segment considéré d'un couple appartenant à un brin différent. Ces couples des segments parallèles sont présents tous les 90 degrés autour de l'axe de symétrie de l'antenne.
  • Le fil d'alimentation 100 est ici un fil rectiligne s'arrêtant au centre des brins, et ne se prolongeant pas au-delà du plan de ces derniers.
  • Ce fil d'alimentation 100 est constitué par le conducteur central d'un câble coaxial. L'armature extérieure 150 de ce câble coaxial s'arrête, quant à elle, bien avant le conducteur interne du câble coaxial.
  • L'armature externe coaxiale 150 est en liaison électrique avec le plan de masse 300, qui forme un disque conducteur de même diamètre que le cercle des brins et parallèle à ce dernier. Ce disque plein 300 se trouve à une distance des brins qui est de l'ordre du diamètre du cercle que décrivent ces brins.
  • L'armature externe du câble coaxial le relie à un potentiel différent de celui alimentant les brins.
  • Ainsi les deux conducteurs 100 et 150 du câble coaxial sont reliés aux bornes d'une source électrique, ici non représentée, qui se trouve au-delà du plan de masse 300, à l'opposé des brins. Le plan de masse 300 se trouve donc entre cette source et le plan des brins.
  • La source d'alimentation non représentée peut être réalisée par exemple à l'aide d'un circuit en technologie planaire imprimé, une alimentation selon cette technologie pouvant en variante être placée en tout endroit de l'antenne, par exemple dans le plan des brins ou sur le plan de masse 300.
  • L'axe mécanique constitué par le fil d'alimentation 100 est également l'axe de symétrie du diagramme de rayonnement. Un maximum de rayonnement est émis sur l'horizon, c'est à dire axialement autour du fil 100 et dans la direction du plan des brins, tandis qu'un minimum de rayonnement est présent dans la direction définie par l'axe de symétrie.
  • Sur une bande de fréquence relative assez large (>10%), l'antenne génère une polarisation circulaire naturelle. En effet, sur cette bande de fréquence, la partie centrale de l'antenne, et en particulier le fil vertical d'alimentation 100 de l'antenne, génère une composante du champ électromagnétique polarisée verticalement ayant un maximum à l'horizon.
  • La partie périphérique en forme de cercle de l'antenne génère quant à elle une composante du champ électromagnétique polarisée horizontalement ayant également un maximum à l'horizon.
  • Le gain obtenu avec cette antenne est typiquement de 2 dB pour des angles d'élévation compris entre 0° et 60°.
  • La géométrie de l'antenne permet en outre d'obtenir un déphasage de 90° entre ces deux composantes rayonnées et une même amplitude pour chacune d'elles.
  • Une polarisation circulaire est donc obtenue avec un maximum dirigé à l'horizon. Le sens d'enroulement des brins fixe la polarisation principale. Ainsi, le sens d'enroulement inverse trigonométrique tel que présenté ici implique une polarisation circulaire droite.
  • Chaque brin a une longueur de l'ordre d'une demi-longueur d'onde à la fréquence de travail, c'est à dire de l'ordre d'une demi-longueur d'onde à la fréquence privilégiée pour cette antenne.
  • Afin d'élargir la bande des fréquences de fonctionnement, des brins supplémentaires peuvent être superposés aux quatre brins initiaux. Ces brins supplémentaires peuvent être reliés électriquement ou non aux brins initiaux et peuvent être de même dimension ou non que les brins initiaux.
  • Un fonctionnement en mode multifréquence est aussi possible, soit au moyen de l'empilement de plusieurs ensembles de brins tel que celui décrit ici, préférentiellement selon des plans parallèles et superposés et de diamètres différents, soit au moyen d'un multiplexeur relié à un ensemble de brins coplanaires.
  • L'épaisseur totale de l'antenne proposée est faible devant la longueur d'onde (typiquement de l'ordre de 0.04λ), ce qui la rend compacte.
  • L'antenne présentée ici est très compacte car ses brins sont repliés.
  • Le diamètre extérieur du cercle composé des quatre brins rayonnants est de l'ordre de 0.25λ, où λ est la longueur d'onde de travail privilégiée pour cette antenne.
  • Un diamètre aussi faible permet un encombrement réduit de l'antenne au regard de la longueur d'onde.
  • Les différents éléments de cette antenne peuvent être réalisés en métal.
  • La masse de cette antenne, déjà faible, peut, par le choix d'un matériau adapté, être encore plus faible.
  • L'alimentation de l'antenne se fait par un fil unique et aucun circuit de déphasage additionnel n'est nécessaire à son fonctionnement ce qui en fait une structure simple à réaliser tant au niveau électrique, qu'au niveau mécanique.
  • Cette antenne et notamment l'ensemble des brins, est facilement réalisable en technologie plaquée, c'est à dire par exemple en réalisant l'ensemble des brins sous la forme d'un circuit imprimé sur un film substrat.
  • Plus généralement, l'antenne selon l'invention et facilement réalisée en production de série.
    1. [1] G.A. DESCHAMPS « Microstrip microwave antennas » .3 rd USAF -Symposium on Antennas -1953
    2. [2] J.Q. HOWELL « Microstrip antennas » I.E.E.E. Transactions on Antennas and Propagation -Vol. AP-22 -pp. 90-93 -January 1975.
    3. [3] Howell, J.Q., "Microstrip Antennas," IEEE AP-S Int. Symp. Digest, 1972, pp. 177-180.
    4. [4] Munson, R.E., "Conformal Microstrip Antennas and Microstrip Phased Arrays," IEEE Trans. on Antennas and Propagation,-Vol. AP-22, 1974, pp. 74-78.
    5. [5] JR James & PS Hall "Handbook of MIGROSTRIP ANTENNAS" 1989
    6. [6] lJ Bahl & P. Bhartia "Microstrip Antennas" 1980
    7. [7] J.R JAMES -P .S. HALL -C. WOOD « Microstrip antenna theory and design ».

Claims (10)

  1. Antenne incluant une série de brins rayonnants (210,220,230,240), chacun des brins rayonnants (210,220,230,240) étant alimenté par un même fil conducteur (100) et incluant également un plan conducteur parallèle (300) à un plan principal géométrique incluant les brins rayonnants (210,220,230,240), ledit plan conducteur (300) formant plan de masse de l'antenne caractérisée en ce que l'antenne est une antenne de type imprimée dans laquelle l'ensemble des brins rayonnants (210,220,230,240) est situé dans le même plan principal, chacun des brins rayonnants (210,220,230,240) décrivant un segment initial qui est radial par rapport à un axe géométrique (X) perpendiculaire au plan principal, puis chacun des brins rayonnants (210,220,230,240) se prolongeant selon un arc de cercle centré sur cet axe géométrique puis décrivant à nouveau un segment sensiblement radial dirigé en direction de l'axe géométrique (X), logeant ainsi un segment radial du brin voisin sans le toucher.
  2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fil d'alimentation (100) des brins (210, 220, 230, 240) est constitué par un fil rigide rectiligne (100) confondu avec l'axe géométrique (X).
  3. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque brin (210, 220, 230, 240) décrit un arc de cercle (214), selon un même sens de rotation autour de l'axe (X), de sorte que pour chaque brin (210, 220, 230, 240) considéré, le segment radial d'extrémité (216) de ce brin (210, 220, 230, 240) borde un segment radial initial (222) d'un brin voisin.
  4. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ensemble des brins (210, 220, 230, 240) décrit un pourtour circulaire de diamètre sensiblement égal à λ/4 où λ est la longueur d'onde de travail privilégiée de l'antenne.
  5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédents caractérisée en ce que le fil d'alimentation (100) est constitué par le conducteur central (100) d'un conducteur coaxial, et en ce que le plan de masse (300) est alimenté par l'armature externe (150) de ce conducteur coaxial.
  6. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le conducteur central (100) du câble coaxial présente son extrémité au contact des brins (210, 220, 230, 240), et l'armature externe (150) du câble coaxial présente son extrémité au contact du plan de masse (300).
  7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisée en ce que le plan de masse (300) forme un disque plein de diamètre sensiblement égal au diamètre de la forme décrite par l'ensemble des brins (210, 220, 230, 240).
  8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les brins sont au nombre de quatre, décrivant chacun par leur portion circulaire un arc de cercle (214) décrivant un angle d'environ 90°.
  9. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente plusieurs séries de brins (210, 220, 230, 240), chaque série étant formée par des brins coplanaires dans un plan principal particulier, chacune de ces séries de brins (210, 220, 230, 240) décrivant une forme générale de disque, et ces disques étant superposés en recouvrement les uns des autres et de diamètres différents.
  10. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que plusieurs séries de brins (210, 220, 230, 240) de diamètre sensiblement égaux ou différents, les brins étant contactés entre eux ou non, sont agencées en empilement.
EP03760761A 2002-06-20 2003-06-20 Antenne a brins Expired - Lifetime EP1516392B1 (fr)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0207625 2002-06-20
FR0207625A FR2841388B1 (fr) 2002-06-20 2002-06-20 Antenne a brins a polarisation circulaire
PCT/FR2003/001901 WO2004001900A1 (fr) 2002-06-20 2003-06-20 Antenne a brins a polarisation circulaire

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EP1516392A1 EP1516392A1 (fr) 2005-03-23
EP1516392B1 true EP1516392B1 (fr) 2007-07-04

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP03760761A Expired - Lifetime EP1516392B1 (fr) 2002-06-20 2003-06-20 Antenne a brins

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