EP1523062B1 - Antenne omnidirectionnelle pour la transmission et/ou la réception de signaux audio et/ou vidéo - Google Patents

Antenne omnidirectionnelle pour la transmission et/ou la réception de signaux audio et/ou vidéo Download PDF

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EP1523062B1 EP03447245A EP03447245A EP1523062B1 EP 1523062 B1 EP1523062 B1 EP 1523062B1 EP 03447245 A EP03447245 A EP 03447245A EP 03447245 A EP03447245 A EP 03447245A EP 1523062 B1 EP1523062 B1 EP 1523062B1
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop

Definitions

  • the present invention relates generally to an omnidirectional antenna for transmitting and / or receiving audio and / or video signals.
  • the invention relates to an omnidirectional antenna for the transmission and / or reception of audio and / or video signals, of the type comprising four antenna elements powered electrically by currents of substantially the same phase and of the same amplitude.
  • each antenna element comprising a biquad-type radiating element, a feed center and a reflector associated with this radiating element and each of the feeding centers lying on a common circle and at the intersection points of two diameters orthogonal with this circle.
  • the 2.4 Ghz video electromagnetic signal receiving system usually includes a high gain omnidirectional antenna behind which a pre-amplifier is placed to improve the noise factor and receiver dynamics.
  • US Pat. No. 4,479,127 describes a horizontally polarized antenna formed of four antenna elements arranged in a first pair respectively. of parallel elements and a second pair of parallel elements, these first and second pair of elements being perpendicular to each other and the elements of each pair being equidistant from the axis of the assembly.
  • Each of these elements is formed of two square loops joined by a common vertex having feeding centers at the level thereof.
  • This antenna has a VSWR of less than 2: 1 and a four-leaf clover pattern.
  • Such an antenna can be used in long range transmission / reception applications.
  • the object of the present invention is to propose an antenna of the type indicated previously that can be used for example at frequencies of the order of 500 Mhz or 2.4 Ghz and which makes it possible to overcome the drawbacks of the state of the art.
  • each antenna element is in vertical rectilinear polarization, in that the main radiation lobe of each antenna element has an opening substantially of 90 ° in the vertical and horizontal planes and that the feed centers of two adjacent antenna elements are separated by a working wavelength ⁇ .
  • the feeding centers of two adjacent antenna elements are separated by a length equal to ⁇ .
  • Each antenna element comprises a radiating element or radiator consisting of a continuous loop taking the geometric shape of two squares located in the same plane having a common vertex and perimeter substantially equal to 2 ⁇ , and an associated reflector.
  • the biquad antenna element constitutes a particularly advantageous antenna element in the context of the invention because of the 90 ° opening of its main lobe and its appreciable gain of 10 dbi.
  • each main lobe of radiation has an opening substantially of 90 ° in the vertical and horizontal planes.
  • the antenna elements are connected to a coupler via a coaxial power supply cable.
  • the antenna according to the invention comprises a set of four biquad antenna elements 1, each comprising the reflector 2 and the biquad 3 proper connected to a 5-way coupler, indicated in 4. This connection is provided by means of a coaxial power supply cable.
  • each biquad 3 is tangent to the common circle.
  • Figure 1 also shows the 90 ° opening angle of the main lobe of each antenna element, two adjacent lobes being spaced from each other by a length ⁇ . Consequently, the four biquad antenna elements 1 completely cover an angle of 360 °.
  • the biquad 3 is configured in closed loop forming two squares in the same plane, united by a common vertex and each side of which is substantially equal to ⁇ / 4.
  • This biquad consists of a bare copper wire welded to the coaxial cable 5, the two ends of the copper wire being themselves secured, if necessary, to the reflector 2 by any means so as to stiffen the assembly.
  • the reflector 2 is formed of a metal plate generally made of copper. Steel, especially stainless steel or polychlorinated biphenyl (“PCB”) can be used as well. In this case, it may be advantageous to solder, for example copper, to the passage opening of the coaxial cable 5 formed in this reflector, so as to ensure a good physical and electrical connection.
  • Such an assembly is known having been described for example in "Biquad Antenna Construction", Martybugs.net, Wireless Networking Info (http: // Martybugs net / wireless / biquad) (date of making available to the public: 02 May 2003 and 20 July 2003).
  • FIG. 2 also shows that each antenna element 1, via its reflector 2, is secured to a support 7 which can take the form of four angled profiles.
  • this support is made of stainless steel.
  • other materials including insulating materials such as polymethyl methacrylate may be used.
  • FIG. 3 shows the four female N connectors 8 to the chassis 9, the input N female connector. 10 as well as the linear conductors 11 and cylindrical 12.
  • the antenna according to the invention is devoid of antenna element support but comprises a set of four biquad antenna elements 1 each comprising the reflector 2 and the antenna. biquad 3 connected to the coupler 4 via the coaxial cable 5.
  • the reflector 2 is also configured as an antenna element support.
  • each of the four biquads 3 having its feed center at 6, is connected to a 2.4 Ghz coupler indicated 4 and shown in Figure 3.
  • This connection is made via a coaxial cable 5 of an impedance 50 ⁇ , semi-rigid power supply cable covered with an electrically insulating material.
  • each feeding center being distant from a length ⁇ of an adjacent feeding center, the diameter of the circle connecting these four centers is, therefore, 174 mm.
  • the length of each biquad that is to say the distance separating the two farthest vertices, is 90 mm, each of these biquads being 17 mm distant from the associated reflector 2.
  • Each reflector consists of a copper plate 100 mm x 100 mm and a thickness of 1.5 mm fixed on a support 7 of antenna element, two opposite reflectors being separated by 140 mm.
  • the length of its linear conductors 11 is 19 mm each, the cylindrical conductor 12, formed of a copper or brass bar, having a diameter of 8.73 mm and a length of 65 mm determined by the curve in FIG.
  • each of the four biquads 3 has its feed center at 6 and is connected to a 500 Mhz coupler indicated at 4 and shown in Figure 3 and this, by via a coaxial power cable 5 (impedance: 50 ⁇ ).
  • the diameter of the circle connecting these four centers is 850 mm.
  • each biquads 3 consisting of a continuous copper wire, are configured in two equal squares, with a common vertex, each side of which has a length of about 150 mm (1/4 of a wave). .
  • the length of each biquad (distance separating the two furthest vertices) is 420 mm and each of these biquads is 85 mm distant from the associated reflector 2.
  • each reflector 2 consists of a stainless steel plate 680 mm long and about 600 mm high so that two opposing reflectors are separated by 680 mm.
  • each reflector is provided with a passage 13 for the coaxial cable 5, the orifice around which copper is soldered.
  • Coupler 4 for its part, is identical to that of Example 1 with the exception of the length of the cylindrical conductor which is 320 mm as determined by the curve in FIG.
  • the antenna according to the invention is particularly interesting for combating the typical swell phenomenon at sea.
  • the video image received at 2.4 Ghz is of perfectly exploitable quality and without stall even by 4 m swell. between two boats about 6 km apart.
  • this antenna can be adapted to frequencies other than 2.4 Ghz and in particular at frequencies of the order of 500 MHz for the radio (telephone and "data") where it has been equally effective.
  • this antenna can be used both at the reception and the broadcast and can also find other applications such as 2Mbit transmission between ships.

Description

  • La présente invention se rapporte d'une manière générale, à une antenne omnidirectionnelle pour la transmission et/ou la réception de signaux audio et/ou vidéo.
  • Plus précisément, l'invention concerne une antenne omnidirectionnelle pour la transmission et/ou la réception de signaux audio et/ou vidéo, du genre comprenant quatre éléments d'antenne alimentés radio-électriquement par des courants sensiblement de même phase et de même amplitude, chaque élément d'antenne comprenant un élément rayonnant de type biquad, un centre d'alimentation ainsi qu'un réflecteur associé à cet élément rayonnant et chacun des centres d'alimentation se trouvant sur un cercle commun et aux points d'intersection de deux diamètres orthogonaux avec ce cercle.
  • Le système de réception de signaux électromagnétiques vidéo à 2,4 Ghz comprend habituellement une antenne omnidirectionnelle à haut gain derrière laquelle un pré-amplificateur est placé pour améliorer le facteur de bruit et la dynamique du récepteur.
  • En mer, un système de ce type procure d'excellents résultats pour des distances de l'ordre de 1 à 5 km, toutefois par mer calme. Lorsque le creux des vagues devient important, le signal reçu décroche et s'annule, ce qui nécessite quelque 3 secondes pour son retour à sa valeur originelle.
  • On a décrit dans le brevet US 4479127, une antenne, à polarisation horizontale, formée de quatre éléments d'antenne disposés respectivement en une première paire d'élément parallèles et en une seconde paire d'éléments parallèles, ces première et seconde paire d'éléments étant perpendiculaires l'une à l'autre et les éléments de chaque paire étant équidistants de l'axe de l'ensemble.
  • Chacun de ces éléments est formé de deux boucles en carré réunies par un sommet commun comportant des centres d'alimentation au niveau de celui-ci.
  • Cette antenne présente un VSWR inférieur à 2 : 1 ainsi qu'un diagramme de rayonnement en forme de trèfle à quatre feuilles.
  • Une telle antenne peut être utilisée dans des applications de transmission/réception à longue portée.
  • La présente invention a pour but de proposer une antenne du type indiqué précédemment utilisable par exemple à des fréquences de l'ordre de 500 Mhz ou de 2,4 Ghz et qui permet de pallier les inconvénients de l'état de la technique.
  • Pour atteindre ce but, l'antenne selon l'invention est caractérisée en ce que chaque élément d'antenne est en polarisation rectiligne verticale, en ce que le lobe principal de rayonnement de chaque élément d'antenne présente une ouverture sensiblement de 90° dans les plans vertical et horizontal et en ce que les centres d'alimentation de deux éléments d'antenne adjacents sont séparés d'une longueur d'onde λ de travail.
  • D'autre part, selon une caractéristique supplémentaire et préférée, les centres d'alimentation de deux éléments d'antenne adjacents sont séparés d'une longueur égale à λ.
  • Chaque élément d'antenne comprend un élément rayonnant ou radiateur constitué d'une boucle continue prenant la forme géométrique de deux carrés situés dans un même plan ayant un sommet commun et de périmètre sensiblement égal à 2 λ, ainsi qu'un réflecteur associé.
  • Dans la présente description ainsi que dans les revendications, on désignera l'élément rayonnant ainsi décrit par la dénomination « biquad » et un élément d'antenne muni d'un biquad par « élément d'antenne biquad ».
  • L'élément d'antenne biquad constitue un élément d'antenne particulièrement avantageux dans le cadre de l'invention en raison de l'ouverture de 90° de son lobe principal et de son gain appréciable de 10 dbi.
  • Ainsi, selon une caractéristique avantageuse de l'invention, chaque lobe principal de rayonnement présente une ouverture sensiblement de 90° dans les plans vertical et horizontal.
  • De même, selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, les éléments d'antenne sont reliés à un coupleur par l'intermédiaire d'un câble coaxial d'alimentation en énergie.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples illustrant différents modes de réalisation de l'invention et dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique en plan d'une antenne selon l'invention comprenant 4 éléments d'antenne biquad fixés à des supports d'éléments d'antenne et un coupleur
    • la figure 2 est une vue frontale d'un élément d'antenne biquad à la figure 1 fixé à des supports d'éléments d'antenne
    • la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un coupleur à 5 voies
    • la figure 4 représente la courbe définissant la longueur du conducteur cylindrique d'un coupleur en fonction de la fréquence de travail
    • la figure 5 est une vue schématique en plan d'un autre mode de réalisation d'une antenne selon l'invention comprenant 4 éléments d'antenne biquad
    • la figure 6 est une vue frontale d'un élément d'antenne biquad à la figure 5.
  • Tel que représentée aux figures 1 et 2, l'antenne selon l'invention comprend un ensemble de quatre éléments d'antenne biquad 1, comprenant chacun le réflecteur 2 et le biquad 3 proprement dit reliés à un coupleur à 5 voies, indiqué en 4. Cette liaison est assurée par l'intermédiaire d'un câble coaxial 5 d'alimentation en énergie.
  • D'autre part, les centres d'alimentation 6 de ces éléments d'antenne biquad se trouvent sur un cercle commun et aux points d'intersection de deux diamètres orthogonaux avec ce cercle de telle sorte que la corde qui soustend l'arc situé entre deux centres d'alimentation adjacents soit égale à λ. En outre, chaque biquad 3 est tangent au cercle commun.
  • La figure 1 montre également l'angle d'ouverture de 90° du lobe principal de chaque élément d'antenne, deux lobes adjacents étant distants l'un de l'autre d'une longueur λ. Par conséquent les quatre éléments d'antenne biquad 1 couvrent en totalité un angle de 360°.
  • Tel que représenté à la figure 2, le biquad 3 est configuré en boucle fermée formant deux carrés dans un même plan, unis par un sommet commun et dont chaque côté est sensiblement égal à λ/4. Ce biquad est constitué d'un fil de cuivre nu soudé au câble coaxial 5, les deux extrémités du fil de cuivre étant elles-mêmes solidarisées, si nécessaire, au réflecteur 2 par un moyen quelconque de manière à rigidifier l'ensemble.
  • Le réflecteur 2, quant à lui, est formé d'une plaque métallique généralement en cuivre. L'acier en particulier l'acier inoxydable ou encore le polychlorobiphényle (« PCB ») peuvent être utilisés également. Dans ce cas, il peut être avantageux de braser, par exemple du cuivre, à l'orifice de passage du câble coaxial 5 ménagé dans ce réflecteur, de manière à assurer une bonne connexion physique et électrique. Un tel assemblage est connu ayant été décrit par exemple dans "Biquad Antenna Construction", Martybugs.net, Wireless Networking Info (http://Martybugs net/wireless/biquad) (date de mise à disposition du public: 02 mai 2003 et 20 juillet 2003).
  • La figure 2 montre également que chaque élément d'antenne 1, par l'intermédiaire de son réflecteur 2, est solidarisé à un support 7 qui peut prendre la forme de quatre profilés en équerre. Habituellement ce support est en acier inoxydable. Toutefois, d'autres matériaux notamment des matériaux isolants comme le polyméthylméthacrylate peuvent être utilisés.
  • Quant au coupleur 4, celui-ci est visible à la figure 3 où sont représentés les quatre connecteurs N femelle 8 au châssis 9, le connecteur N femelle d'entrée 10 ainsi que les conducteurs linéaires 11 et cylindrique 12.
  • Dans un autre mode de réalisation, conformément aux figures 5 et 6, l'antenne selon l'invention est dépourvue de support d'éléments d'antenne mais comprend un ensemble de quatre éléments d'antenne biquad 1 comprenant chacun le réflecteur 2 et le biquad 3 reliés au coupleur 4 par l'intermédiaire du câble coaxial 5. Dans une telle réalisation, le réflecteur 2 est configuré également en support d'élément d'antenne.
  • Les différentes mesures nécessaires à l'élaboration de chacun des éléments d'antenne biquad ci-dessus peuvent être aisément déterminées à partir des valeurs des paramètres exprimés dans la description ci-dessus et ce, en fonction de la longueur d'onde de travail λ dans l'air, un coefficient de raccourcissement K, étant appliqué au cas où les éléments d'antenne seraient noyés dans un milieu électriquement isolant.
  • Les exemples non limitatifs suivants illustrent divers modes de réalisation d'une antenne omnidirectionnelle selon l'invention :
    • EXEMPLE 1 ANTENNE à 2,4 Ghz
  • Dans un mode de réalisation préféré d'une antenne à 2,4 Ghz, telle que représentée aux figures 1 à 3, chacun des quatre biquads 3 ayant son centre d'alimentation en 6, est relié à un coupleur à 2,4 Ghz indiqué en 4 et représenté à la figure 3. Cette connexion est effectuée par l'intermédiaire d'un câble coaxial 5 d'une impédance de 50 Ω, câble semi-rigide d'alimentation en énergie recouvert d'un matériau électriquement isolant.
  • Chaque centre d'alimentation étant distant d'une longueur λ d'un centre d'alimentation adjacent, le diamètre du cercle reliant ces quatre centres est, par conséquent, de 174 mm.
  • Les biquads 3 sont constitués chacun d'un fil de cuivre continu d'un diamètre d'environ 1,5 à 2,5 mm, de préférence 2,5 mm, configuré en deux carrés égaux avec un sommet commun et dont chaque côté a une longueur de 36 mm (1/4 d'onde = 31 mm). La longueur de chaque biquad, c'est-à-dire la distance séparant les deux sommets les plus éloignés, est de 90 mm, chacun de ces biquads étant distant de 17 mm du réflecteur 2 associé. Chaque réflecteur est constitué d'une plaque de cuivre de 100 mm x 100 mm et d'une épaisseur de 1,5 mm fixée sur un support 7 d'élément d'antenne, deux réflecteurs opposés étant séparés de 140 mm.
  • En ce qui concerne le coupleur 4 représenté à la figure 3, la longueur de ses conducteurs linéaires 11 est de 19 mm chacun, le conducteur cylindrique 12, formé d'un barreau en cuivre ou en laiton, ayant un diamètre de 8,73 mm et une longueur de 65 mm déterminée par la courbe à la figure 4.
    • EXEMPLE 2 ANTENNE à 500 Mhz
  • Dans un autre mode de réalisation préféré d'une antenne à 500 Mhz, telle que représentée aux figures 5 et 6, chacun des quatre biquads 3 a son centre d'alimentation en 6 et est relié à un coupleur à 500 Mhz indiqué en 4 et représenté à la figure 3 et ce, par l'intermédiaire d'un câble coaxial d'alimentation 5 (impédance : 50 Ω).
  • Comme chaque centre d'alimentation est distant d'une longueur λ d'un centre d'alimentation adjacent, le diamètre du cercle reliant ces quatre centres est de 850 mm.
  • D'autre part, les biquads 3, constitués chacun d'un fil de cuivre continu, sont configurés en deux carrés égaux, avec un sommet commun, dont chaque côté a une longueur d'environ 150 mm (1/4 d'onde). La longueur de chaque biquad (distance séparant les deux sommets les plus éloignés) est de 420 mm et chacun de ces biquads est distant de 85 mm du réflecteur 2 associé. En outre, chaque réflecteur 2. est constitué d'une plaque d'acier inoxydable de 680 mm de longueur et d'environ 600 mm de hauteur de sorte que deux réflecteurs opposés sont séparés de 680 mm. De même, chaque réflecteur est pourvu d'un orifice 13 de passage du câble coaxial 5, orifice autour duquel du cuivre est brasé.
  • Le coupleur 4, quant à lui, est identique à celui de l'Exemple 1 à l'exception de la longueur du conducteur cylindrique qui est de 320 mm tel que déterminé par la courbe à la figure 4.
  • L'antenne selon l'invention se révèle particulièrement intéressante pour lutter contre le phénomène de houle typique à la mer. En effet, l'image vidéo reçue à 2,4 Ghz est de qualité parfaitement exploitable et sans décrochage même par houle de 4 m entre deux bateaux distants d'environ 6 km.
  • En outre cette antenne peut être adaptée à d'autres fréquences que 2,4 Ghz et notamment à des fréquences de l'ordre de 500 Mhz pour le faisceau hertzien (téléphone et « data ») où elle s'est montrée tout aussi efficace.
  • Par ailleurs, cette antenne peut être utilisée tant à la réception qu'à l'émission et peut également trouver d'autres applications telles que la transmission à 2 Mbits entre navires.

Claims (6)

  1. Antenne omnidirectionnelle pour la transmission et/ou la réception de signaux audio et/ou vidéo, du genre comprenant quatre éléments d'antenne identiques (1) alimentés radio-électriquement par des courants sensiblement de même phase et de même amplitude, chaque élément d'antenne comprenant un élément rayonnant (3) de type biquad, un centre d'alimentation (6) ainsi qu'un réflecteur (2) associé à cet élément rayonnant et chacun des centres d'alimentation se trouvant sur un cercle commun et aux points d'intersection de deux diamètres orthogonaux avec ce cercle, caractérisée en ce que chaque élément d'antenne est en polarisation rectiligne verticale, en ce que le lobe principal de rayonnement de chaque élément d'antenne présente une ouverture sensiblement de 90° dans les plans vertical et horizontal et en ce que les centres d'alimentation de deux éléments d'antenne adjacents sont séparés d'une longueur d'onde λ de travail.
  2. Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que les quatre éléments d'antenne couvrent en totalité un angle de 360°.
  3. Antenne selon une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les éléments d'antenne sont reliés à un coupleur (4) par l'intermédiaire d'un câble coaxial (5) d'alimentation en énergie.
  4. Antenne selon une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque élément d'antenne comprend un élément rayonnant (3) constitué d'une boucle continue prenant la forme géométrique de deux carrés situés dans un même plan ayant un sommet commun et de périmètre sensiblement égal à 2λ.
  5. Antenne selon une des revendications 1 à 4 pour utilisation à des fréquences de l'ordre de 2,4 Ghz.
  6. Antenne selon une des revendications 1 à 4 pour utilisation à des fréquences de l'ordre de 500 Mhz
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