EP2158637A1 - Antenne de type hélice - Google Patents

Antenne de type hélice

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Publication number
EP2158637A1
EP2158637A1 EP08759842A EP08759842A EP2158637A1 EP 2158637 A1 EP2158637 A1 EP 2158637A1 EP 08759842 A EP08759842 A EP 08759842A EP 08759842 A EP08759842 A EP 08759842A EP 2158637 A1 EP2158637 A1 EP 2158637A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiating
antenna according
strands
antenna
strand
Prior art date
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Ceased
Application number
EP08759842A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nelson Fonseca
Sami Hebib
Hervé AUBERT
Lamyaa Hanane
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Original Assignee
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National dEtudes Spatiales CNES filed Critical Centre National dEtudes Spatiales CNES
Publication of EP2158637A1 publication Critical patent/EP2158637A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/362—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith for broadside radiating helical antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q11/00—Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02—Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/08—Helical antennas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49016—Antenna or wave energy "plumbing" making

Definitions

  • the present invention relates to antennas of the helix type.
  • Such antennas find particular application in L-band telemetry systems (operating frequency between 1 and 2 GHz, typically around 1.5 GHz) for stratospheric balloon payloads.
  • the printed helix antennas have the advantage of being simple and inexpensive to manufacture.
  • EP 0320404 discloses a printed helix antenna and its manufacturing method.
  • Such an antenna comprises four radiating strands in the form of metal strips obtained by removing material from the metallization on either side of the strips of a metallized zone of a printed circuit.
  • the printed circuit is intended to be wound helically around a cylinder.
  • payloads strastrophériques balloons require more and more compact antennas while maintaining good performance.
  • the aim of the invention is to reduce the size of known type helix antennas.
  • the invention relates to a helical antenna comprising a plurality of radiating strands helically wound in a form of revolution.
  • the antenna of the invention is characterized in that each radiating strand comprises a repetition of the same pattern which is defined by a fractal of order at least equal to two.
  • the antenna of the invention may furthermore optionally have at least one of the following characteristics: the fractal is generated by iteration of steps of reduction of a reference pattern and then application of the pattern obtained to the reference pattern; the iterated steps further comprise an operation of rotation and / or flattening and / or shearing of the pattern;
  • the reference pattern comprises a support geometric shape a director axis of the radiating strand, selected from the following group: trapezium in which one of the bases is deleted, triangle in which the base is deleted, square in which the base is deleted;
  • the reference pattern comprises two identical geometric shapes of support the steering axis of the radiating strand, alternated with respect to said axis;
  • the reference pattern comprises two identical isosceles trapezes supporting the direction axis of the radiating strand, alternated with respect to said axis and spaced apart from the width of the small base, in which one of the bases is suppressed;
  • the reference pattern comprises two identical equilateral triangles supporting the direction axis of the
  • Such an antenna is of reduced size while respecting a very precise specification in terms of radiation pattern and polarization purity.
  • the antenna of the invention can, moreover, integrate into a telemetry system.
  • the invention relates to a method of manufacturing a helix-type antenna, comprising a step during which a plurality of radiating strands are formed according to determined zones, to be helically wound in a form of revolution.
  • each strand comprises a repetition of the same pattern which is defined by a fractal of order at least equal to two.
  • the method further comprises the steps of:
  • a double-sided flexible printed circuit sheet to the corresponding dimensions for a cylindrical sleeve of given dimensions;
  • On the printed circuit is defined a first zone and a second zone for containing the radiating strands and a supply circuit, respectively; removing the metallization at the first zone on a first face of the printed circuit, the metallization being maintained over the whole of the first zone to constitute the reference propagation plane;
  • the second face of the printed circuit is formed, at the level of the first zone, by removing material from the metallization on either side of the determined zones, the radiating strands and the upper conductive zone and at the level of the second zone; by removing material from the metallization a conductive area forming with the reference plane of propagation the ribbon line;
  • the printed circuit board is wound on the reference plane of propagation plane or radiating strands on a sleeve.
  • FIGS. 3a, 3b and 3c schematically illustrate, respectively, a reference pattern, first order fractal, a second order fractal and a third order fractal of a fractal for patterns of the radiating strands, according to a first embodiment
  • FIGS. 4a, 4b and 4c schematically illustrate, respectively, a reference pattern, first order fractal, a second order fractal and a third order fractal for patterns of the radiating strands, according to a second embodiment.
  • FIGS. 5a, 5b and 5c schematically illustrate, respectively, a reference pattern, first order fractal, a second order fractal and a third order fractal for patterns of the radiating strands, according to a third embodiment.
  • FIGS. 6a and 6b schematically illustrate, respectively, a reference pattern, a fractal of order 1 and a fractal of order 2 for patterns of the radiating strands, according to a fourth embodiment;
  • FIGS. 7a and 7b schematically illustrate, respectively, a reference pattern, first order fractal and a second order fractal for patterns of the radiating strands, according to a fifth embodiment
  • FIGS. 10a, 10b, 10c and 10d illustrate steps of the method of manufacturing an antenna according to the present invention
  • Figures 11a and 11b respectively show simulated radiation patterns of the antennas shown in Figures 8a and 8b.
  • Figure 1 shows in developed a helix antenna.
  • Figure 2 shows a front view of a helix antenna.
  • Such an antenna comprises two parts 1, 2.
  • Part 1 comprises a conductive zone 10 and four radiating strands 11, 12, 13 and 14.
  • the helical type antenna comprises four radiating strands 11, 12, 13, 14 helically wound in a form of revolution around a sleeve 15, for example.
  • the strands 11 -14 are connected on the one hand in short circuit at a first end 111, 121, 131, 141 strands to the conductive zone 10 and secondly in a second end 112, 122, 132, 142 of the strands to the feed circuit 20.
  • the radiating strands 11-14 of the antenna may be identical and are for example four in number.
  • the antenna is in this case quadrifilar.
  • the sleeve 15 on which the antenna is wound is shown in dashed lines in FIG. 1 to form the antenna as shown in FIG.
  • the radiating strands 11-14 are oriented so that a support axis AA ', BB', CC and DD 'of each strand forms an angle ⁇ with respect to any plane orthogonal to any line L directing the sleeve 15.
  • This angle ⁇ corresponds to the helical winding angle of the radiating strands.
  • the radiating strands 11-14 are each constituted by a metallized zone.
  • the metallized zones of part 1 are symmetrical bands with respect to a guide axis AA ', BB', CC, DD 'of the strands.
  • the distance d between two successive strands is defined along any perpendicular to any line L of the sleeve 15 as the distance between two points, each defined as the intersection of the said perpendicular with an axis of the strands.
  • this distance d will be fixed at a quarter of the perimeter of the sleeve 15.
  • the substrate supporting the metal strips is helically wound on the lateral surface of the sleeve 15.
  • the two parts 1, 2 are formed on a printed circuit 100.
  • the radiating strands 11-14 are then metal strips obtained by removal of material on each side of the strips of a zone. metallized on the surface of the circuit board 100.
  • the printed circuit 100 is intended to be wound around a sleeve 15 having a general shape of revolution, such as a cylinder or a cone, for example.
  • Part 2 of the antenna comprises a supply circuit 20 of the antenna.
  • the supply circuit 20 of the antenna is constituted by a transmission line of the meander-shaped ribbon line type, ensuring both the function of distribution of the supply and adaptation of the radiating strands 11-14 of the antenna.
  • the supply of the radiating elements is at equal amplitudes with a progression of phases in quadrature.
  • the reduction in the size of the helix type antennas as shown in FIGS. 1 and 2 is obtained by using fractals for the radiating strand patterns for the antenna part 1.
  • Part 2 of the antenna is of known type.
  • the radiating strands comprise a repetition of the same pattern which is defined by a fractal of order at least equal to two.
  • Fractals have the property of self-similarity, they are formed of copies of themselves at different scales. They are self-similar and very irregular curves.
  • a fractal is composed of reduced replicas, a reference pattern, not identical but similar.
  • the fractal is generated by iteration of steps of reduction of a reference pattern then application of the pattern obtained to the reference pattern.
  • the iterated steps further include an operation of rotation and / or flattening and / or shearing of the pattern.
  • This reference pattern is a first order fractal.
  • the higher orders are obtained by applying to the middle of each segment of the reference pattern this same reduced reference pattern, and so on.
  • the reference pattern may be simple or alternating with respect to a director axis AA ', BB', CC, DD 'of the pattern.
  • the choice of the pattern itself is guided by the radiation performance of the antenna.
  • the patterns with sharp angles provide a better reduction in the size of the part 1 of the antenna, but the cross-polarization performance is lower.
  • alternating patterns will be preferred because their symmetry helps to maintain cross-polarization levels comparable to those of a reference antenna of known type (see FIGS. 1 and 2).
  • FIGS 3a, 4a and 5a illustrate so-called “simple” reference patterns.
  • a support geometrical shape a steering axis AA 'of the radiating strand selected from the following group: trapezium in which one of the bases is deleted MR1, triangle in which the base is deleted MR2, square in which the base is deleted MR3.
  • FIG. 3a illustrates, according to a first embodiment, a reference pattern MR1 which is a trapezium for supporting the axis AA 'of a radiating strand in which the large base is suppressed.
  • FIG. 4a illustrates, according to a second embodiment, a reference pattern MR2 which is a support triangle for the steering axis AA 'of a radiating strand in which the base is suppressed.
  • FIG. 5a illustrates, according to a third embodiment, a reference pattern MR3 which is a support square, the steering axis AA 'of a radiating strand in which the base is suppressed.
  • FIGS. 3b, 4b and 5b respectively illustrate the order 2 of a fractal F1, F2, F3 following an iteration of the reference patterns of FIGS. 3a, 4a and 5a, respectively.
  • FIGS. 3c, 4c and 5c respectively illustrate the order 3 of a fractal
  • FIG. 6a illustrates according to a fourth embodiment a reference pattern MR4 which comprises two isosceles trapezes in opposition with respect to the directing axis AA 'of the radiating strand and spaced from the width of the small base, in which the large base has been deleted.
  • the angle ⁇ between a side extending from the small base towards the large base and the axis AA 'of the radiating strand is set as a compromise between the reduction of the height of the antenna and the performances in cross polarization.
  • FIG. 7a illustrates according to a fifth embodiment a reference pattern MR5 which comprises two equilateral triangles in opposition to the axis AA 'of the radiating strand and spaced from the width of one side, in which the base has been removed .
  • FIGS. 6b and 7b illustrate the order 2 of a fractal F4, F5 following an iteration of the reference patterns of FIGS. 6a and 7a respectively.
  • the radiating strands of the helix antenna comprise an integer number of order fractals at least equal to two.
  • the use of at least two order fractals for the radiating strands makes it possible to reduce the size of the antenna.
  • the length of the strands sets the frequency of operation of the antenna.
  • fractal patterns makes it possible to reduce the effective length of the strands while maintaining an "unfolded" length, to that of an antenna without patterns (strands in the form of metal strips).
  • FIGS. 9a, 9b, 9c and 9d Such a folding effect is illustrated by FIGS. 9a, 9b, 9c and 9d.
  • Part 1 comprising the radiating strands wound helically. They are four-core antennas, called quadrifilars.
  • Figure 9a illustrates a four-strand radiating antenna in the form of a metal strip.
  • Figure 9d illustrates a patterned four-stranded antenna obtained by iteration of the reference pattern of Figure 7b.
  • the number of turns initiated for the helical winding is identical.
  • the strands are further all oriented in the same way: they are wound in the same way helically. These figures show a gain in the height of the antenna.
  • the number of iterations from the reference pattern makes it possible to reduce the height of the antenna and has an influence on the ellipticity rate and on the purity of the polarization.
  • the number of iterations is, however, limited by the production of the strands, in particular their width.
  • the length and the width of the strands make it possible to adjust the operating frequency.
  • the width makes it possible in particular to fix the input impedance, the usual value being 50 ⁇ .
  • the helical winding angle ⁇ sets the number of turns of the helix and therefore has an impact on the type of radiation pattern, in particular the position of the main polarization directivity maxima.
  • the spacing d between a support axis of one strand and the next is related to the perimeter of the sleeve 15.
  • the spacing d is equal to the perimeter of the sleeve divided by the number of strands of the antenna.
  • the method comprises in particular a step during which a plurality of radiating strands are formed according to determined zones in order to be helically wound in a form of revolution.
  • each radiating strand comprises a repetition of the same pattern which is defined by a fractal of order at least equal to two.
  • the method further comprises the following steps.
  • Figures 10a, 10b, 10c and 10d illustrate the process steps.
  • a double-sided flexible printed circuit board 101, 102 is cut to the corresponding dimensions for a cylindrical sleeve 15 of given dimensions.
  • the metallization is eliminated at the first zone on a first face 101 of the printed circuit 100, the metallization being maintained on the whole of the second zone 102 to constitute the reference propagation plane.
  • material is formed at the first zone 1 on the one hand from the metallization according to the determined zones, the radiating strands and the upper conductive zone, and on the second zone 2 on the other hand a conductive area forming with the reference plane of propagation the ribbon line.
  • the printed circuit board 100 is wound on reference propagation plane side or radiating strand sides on a sleeve 15.
  • the part 1 of the helix type antennas comprises radiating strands to the patterns presented above.
  • the fractal pattern antennas were compared to a known type of helix antenna as shown in FIGS. 1 and 2.
  • Fractal radiating strands were generated by a code specifically addressing this need.
  • This code makes it possible in particular to fix a reference fractal pattern and to apply a given iteration level to it.
  • the fractal order at least equal to two thus obtained is then repeated a whole number of times before being applied to a cylindrical or conical shape.
  • the outputs of the code are the coordinates of the points defining the radiating strands either flat for the production of the mask necessary for the manufacture of the printed circuit or on a cylindrical or conical shape as an input for a commercial electromagnetic simulation software.
  • the operating frequency is identical between the reference antenna and the fractal pattern antennas.
  • the length of the strands has been adjusted.
  • the antennas at the radiating strands illustrated in Figure 8a (antenna A) and Figure 8b (antenna B) are compared to a reference antenna for an operating frequency equal to 1.85 GHz.
  • the input impedance of the antennas is 50 ⁇ . Given the intended applications, the ellipticity rate must be less than 2 dB over the widest possible range of elevation.
  • the four radiating strands are powered by phase voltages respectively equal to 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °.
  • the width of the strands has been adapted so that the operating frequency for the three antennas is identical.
  • a same sleeve 15 is used for the realization of the reference antenna, the antenna A and the antenna B.
  • the sleeve 15 in question has a diameter equal to 25 mm.
  • the distance between two consecutive strands corresponds to a quarter of the perimeter of the sleeve, if we neglect the thickness of the substrate supporting the printed strands. For the three antennas analyzed, this distance is equal to 20 mm.
  • the gain on the height between the reference antenna and the antennas A and B is respectively 33% with a level of cross polarization in the half-space of interest of -12 dBi and 38% with a level of cross polarization in the half-space of interest of -10 dBi.
  • the desired performances in cross polarization are to be fixed according to the intended application.
  • a gain is also obtained over the total length of the strands which makes it possible to reduce the manufacturing cost of these antennas.
  • Figures 11a and 11b illustrate simulated radiation patterns of antennas A and B and a specified radiation pattern.
  • the curve 80 is the main polarization radiation pattern
  • the curve 81 is the cross-polarization radiation pattern
  • the curve 82 is a template representing the minimum required values in main polarization for a telemethra system embedded on stratospheric balloons.

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Abstract

L'invention concerne une antenne de type hélice comprenant une pluralité de brins rayonnants enroulés en hélice selon une forme de révolution (15), caractérisée en ce que chaque brin rayonnant comprend une répétition d'un même motif qui est défini par un fractal (F1, F1' F2, F2', F3, F3', F4, F5) d'ordre au moins égal à deux.

Description

ANTENNE DE TYPE HELICE
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention est relative aux antennes de type hélice.
En particulier, elle concerne les antennes de type hélice quadrifilaires imprimées.
De telles antennes trouvent notamment application dans des systèmes de télémétrie en bande L (fréquence de fonctionnement comprise entre 1 et 2 GHz, typiquement autour de 1 ,5 GHz) pour des charges utiles de ballons stratosphériques.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les antennes de type hélice imprimées présentent l'avantage d'être de fabrication simple et peu onéreuse.
Elles sont particulièrement adaptées aux signaux de télémétrie à polarisation circulaire en bande L, signaux utilisés dans les charges utiles de ballons stratosphériques. Elles offrent en outre un bon taux d'ellipticité et donc une bonne polarisation circulaire sur une large gamme d'angles d'élévations.
Le brevet EP 0320404 décrit une antenne imprimée de type hélice et son procédé de fabrication.
Une telle antenne comprend quatre brins rayonnants en forme de bandes métalliques obtenus par enlèvement de matière de la métallisation de part et d'autre des bandes d'une zone métallisée d'un circuit imprimé. Le circuit imprimé est destiné à être enroulé en hélice autour d'un cylindre.
Ces antennes bien qu'offrant de bonnes performances sont toutefois encombrantes. Des antennes compactes de type hélice, comprenant des brins rayonnants en forme de méandre ont été proposées pour réduire la taille des antennes de ce type. L'article : Y. Letestu, A. Sharaiha, Ph. Besnier « A size reduced configuration of printed quadrifilar hélix antenna, » IEEE workshop on Antenna Technology: Small Antennas and Novel Metamaterials, 2005, pp. 326-328, Mars 2005, décrit de telles antennes compactes. Toutefois, bien qu'un gain de l'ordre de 35% sur l'encombrement ait été obtenu, les performances, notamment en polarisation croisée et en rayonnement arrière, sont dégradées montrant les limites de l'utilisation de tels motifs quant à la réduction de la taille des antennes de ce type.
En particulier, les charges utiles des ballons strastrophériques requièrent des antennes de plus en plus compactes tout en conservant de bonnes performances.
PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention vise à réduire l'encombrement des antennes hélice de type connu.
A cet effet, l'invention concerne selon un premier aspect, une antenne de type hélice comprenant une pluralité de brins rayonnants enroulés en hélice selon une forme de révolution. L'antenne de l'invention est caractérisée en ce que chaque brin rayonnant comprend une répétition d'un même motif qui est défini par un fractal d'ordre au moins égal à deux.
L'antenne de l'invention peut en outre présenter facultativement au moins l'une des caractéristiques suivantes : - le fractal est généré par itération d'étapes de réduction d'un motif de référence puis application du motif obtenu au motif de référence ; les étapes itérées comprennent en outre une opération de rotation et/ou d'aplatissement et/ou de cisaillement du motif ; le motif de référence comprend une forme géométrique de support un axe directeur du brin rayonnant, choisie parmi le groupe suivant : trapèze dans lequel une des bases est supprimée, triangle dans lequel la base est supprimée, carré dans lequel la base est supprimée ; le motif de référence comprend deux formes géométriques identiques de support l'axe directeur du brin rayonnant, alternées par rapport audit axe ; le motif de référence comprend deux trapèzes isocèles identiques de support l'axe directeur du brin rayonnant, alternés par rapport audit axe et espacés de la largeur de la petite base, dans lesquels une des bases est supprimée ; le motif de référence comprend deux triangles équilatéraux identiques de support l'axe directeur du brin rayonnant, alternés par rapport audit axe et espacés de la largeur d'un côté, dans lesquels la base est supprimée ; chaque brin rayonnant comprend un nombre entier de fractals ; les brins rayonnants sont chacun constitués par une zone métallisée déterminée, enroulée en hélice sur la surface latérale d'un manchon, tel que l'axe directeur de chaque brin est distant de l'axe du brin suivant d'une distance déterminée, définie selon toute perpendiculaire à toute ligne directrice du manchon comme la distance entre deux points, chacun défini par une intersection entre l'axe d'un brin et une perpendiculaire à toute ligne directrice du manchon ; la distance entre l'axe de chaque brin est égale au périmètre du manchon divisé par le nombre de brins rayonnants ; les brins rayonnants sont connectés d'une part en court circuit au niveau d'une première extrémité à une zone conductrice et d'autre part au niveau d'une deuxième extrémité à un circuit d'alimentation ; l'antenne comprend un circuit imprimé sur lequel sont formées les zones métallisées, le circuit étant apte à être enroulé autour d'un manchon formant forme de révolution ; chaque brin rayonnant est obtenu par enlèvement de matière d'une zone métallisée du circuit imprimé de part et d'autre des motifs des brins rayonnants ; la forme de révolution est cylindrique ou conique ; les brins rayonnants sont identiques ; l'antenne comprend quatre brins rayonnants. Une telle antenne permet de réduire de plus de 30% l'encombrement, en particulier, la hauteur, tout en conservant des performances équivalentes à celles des antennes hélice de type connu d'encombrement plus important.
En tolérant une dégradation de la polarisation croisée de l'antenne, une réduction allant jusqu'à 70% de la hauteur est possible, tout en conservant un rayonnement arrière acceptable. En outre l'utilisation de fractals pour les motifs des brins rayonnants de l'antenne permet d'améliorer la polarisation croisée par rapport aux antennes hélices compactes de type connu.
Ainsi, une telle antenne est d'encombrement réduit tout en respectant un cahier des charges bien précis en terme de diagramme de rayonnement et de pureté de polarisation.
L'antenne de l'invention peut, par ailleurs, s'intégrer dans un système de télémétrie.
Selon un second aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une antenne de type hélice, comprenant une étape au cours de laquelle on forme selon des zones déterminées, une pluralité de brins rayonnants destinés à être enroulés en hélice selon une forme de révolution.
Les brins rayonnants sont caractérisés par le fait que chaque brin comprend une répétition d'un même motif qui est défini par un fractal d'ordre au moins égal à deux.
Le procédé comprend en outre les étapes suivantes :
- on découpe une feuille de circuit imprimé souple double face aux dimensions correspondantes pour un manchon cylindrique de dimensions données ; - on délimite sur le circuit imprimé une première zone et une deuxième zone destinée à contenir les brins rayonnants et un circuit d'alimentation, respectivement ; on supprime la métallisation au niveau de la première zone sur une première face du circuit imprimé, la métallisation étant maintenue sur la totalité de la première zone pour constituer le plan de propagation de référence ; - on forme sur la deuxième face du circuit imprimé, au niveau de la première zone, par enlèvement de matière de la métallisation de part et d'autre des zones déterminées, les brins rayonnants et la zone conductrice supérieure et au niveau de la deuxième zone, par enlèvement de matière de la métallisation une zone conductrice formant avec le plan de propagation de référence la ligne à ruban ; on enroule la feuille de circuit imprimé côté plan de propagation de référence ou côtés brins rayonnant sur un manchon.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 illustre de manière schématique en développé une antenne hélice de type connu ; la figure 2 illustre de manière schématique une vue de face d'une antenne hélice de type connu ; les figures 3a, 3b et 3c illustrent de manière schématique respectivement, un motif de référence, fractal d'ordre 1 , un fractal d'ordre 2 et un fractal d'ordre 3 d'un fractal pour des motifs des brins rayonnants, selon un premier mode de réalisation ; les figures 4a, 4b et 4c illustrent de manière schématique respectivement, un motif de référence, fractal d'ordre 1 , un fractal d'ordre 2 et un fractal d'ordre 3 pour des motifs des brins rayonnants, selon un deuxième mode de réalisation ; les figures 5a, 5b et 5c illustrent de manière schématique respectivement, un motif de référence, fractal d'ordre 1 , un fractal d'ordre 2 et un fractal d'ordre 3 pour des motifs des brins rayonnants, selon un troisième mode de réalisation ; - les figures 6a et 6b illustrent de manière schématique respectivement, un motif de référence, fractal d'ordre 1 et un fractal d'ordre 2 pour des motifs des brins rayonnants, selon un quatrième mode de réalisation ; les figures 7a et 7b illustrent de manière schématique respectivement, un motif de référence, fractal d'ordre 1 et un fractal d'ordre 2 pour des motifs des brins rayonnants, selon un cinquième mode de réalisation ; les figures 8a et 8b illustrent de manière schématique en développé une antenne de type hélice, comprenant respectivement des brins, obtenus avec le fractal de la figure 6b avec θ = 30° et θ = 45° pour le motif de référence ; les figures 9a, 9b, 9c et 9d, illustrent respectivement enroulés en hélice avec les brins rayonnants en forme de bandes métalliques, et obtenus avec les fractals de la figure 6b avec θ = 30° et θ = 45° pour le motif de référence, et de la figure 7b ;
- les figures 10a, 10b, 10c et 10d illustrent des étapes du procédé de fabrication d'une antenne conforme à la présente invention ; les figures 11 a et 11 b, illustrent respectivement des diagrammes de rayonnement simulés des antennes présentées sur les figures 8a et 8b.
DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION ET DE MISE EN OEUVRE
Structure de l'antenne
La figure 1 représente en développé une antenne hélice. La figure 2 représente une vue de face d'une antenne hélice. Un telle antenne comprend deux parties 1 , 2.
La partie 1 comprend une zone conductrice 10 et quatre brins rayonnants 11 , 12, 13 et 14.
Sur la partie 1 , l'antenne de type hélice comprend quatre brins rayonnants 11 , 12, 13, 14 enroulés en hélice selon une forme de révolution autour d'un manchon 15, par exemple.
Sur cette partie, les brins 11 -14 sont connectés d'une part en court circuit au niveau d'une première extrémité 111 , 121 , 131 , 141 des brins à la zone conductrice 10 et d'autre part au niveau d'une seconde extrémité 112, 122, 132, 142 des brins au circuit d'alimentation 20.
Les brins rayonnants 11-14 de l'antenne peuvent être identiques et sont par exemple au nombre de quatre. L'antenne est dans ce cas quadrifilaire.
Le manchon 15 sur lequel l'antenne est enroulée est représenté en pointillé sur la figure 1 pour constituer l'antenne telle que représentée sur la figure 2.
Les brins rayonnants 11-14 sont orientés de sorte qu'un axe support AA', BB', CC et DD' de chaque brin, forme un angle α par rapport à tout plan orthogonal à toute ligne L directrice du manchon 15. Cet angle α correspond à l'angle d'enroulement en hélice des brins rayonnants.
Les brins rayonnants 11-14 sont chacun constitué par une zone métallisée.
Sur les figures 1 et 2, les zones métallisées de la partie 1 sont des bandes symétriques par rapport à un axe directeur AA', BB', CC, DD' des brins.
La distance d entre deux brins successifs est définie selon toute perpendiculaire à toute ligne L directrice du manchon 15 comme la distance entre deux points, chacun défini comme l'intersection de la dite perpendiculaire avec un axe des brins.
Par exemple, pour obtenir une antenne quadrifilaire symétrique, cette distance d sera fixée à un quart du périmètre du manchon 15. Le substrat supportant les bandes métalliques est enroulé en hélice sur la surface latérale du manchon 15.
Selon un mode de réalisation d'une telle antenne, les deux parties 1 , 2 sont formées sur un circuit imprimé 100. Les brins rayonnants 11-14 sont alors des bandes métalliques obtenues par enlèvement de matière de chaque côté des bandes d'une zone métallisée, sur la surface du circuit imprimé 100.
Le circuit imprimé 100 est destiné à être enroulé autour d'un manchon 15 présentant une forme générale de révolution, tel qu'un cylindre ou un cône, par exemple.
La partie 2 de l'antenne comprend un circuit d'alimentation 20 de l'antenne.
Le circuit d'alimentation 20 de l'antenne est constitué par une ligne de transmission du type ligne à ruban en forme de méandre, assurant à la fois la fonction de répartition de l'alimentation et d'adaptation des brins rayonnants 11-14 de l'antenne.
L'alimentation des éléments rayonnants se fait à amplitudes égales avec une progression de phases en quadrature.
La réduction de la taille des antennes de type hélice telles que représentées sur les figures 1 et 2 est obtenue en utilisant des fractals pour les motifs des brins rayonnants pour la partie 1 de l'antenne. La partie 2 de l'antenne est de type connu.
Motifs
Les brins rayonnants comprennent une répétition d'un même motif qui est défini par un fractal d'ordre au moins égal à deux.
Les fractals ont la propriété d'autosimilarité, ils sont formés de copies d'eux-mêmes à des échelles différentes. Ce sont des courbes autosimilaires et très irrégulières.
Un fractal est composé de répliques réduites, d'un motif de référence, non identiques mais similaires.
Le fractal est généré par itération d'étapes de réduction d'un motif de référence puis application du motif obtenu au motif de référence. Les étapes itérées comprennent en outre une opération de rotation et/ou aplatissement et/ou cisaillement du motif.
On comprend donc que les fractals sont obtenus au moyen d'un motif de référence. Ce motif de référence constitue un fractal d'ordre 1.
Les ordres supérieurs sont obtenus en appliquant au milieu de chaque segment du motif de référence ce même motif de référence réduit, et ainsi de suite.
Le motif de référence peut être simple ou alterné par rapport à un axe directeur AA', BB', CC, DD' du motif.
Le choix du motif à proprement parler est guidé par les performances en rayonnement de l'antenne.
De manière générale, les motifs présentant des angles fortement aigus assurent une meilleure réduction de la taille de la partie 1 de l'antenne, mais les performances en polarisation croisée sont moindres.
Inversement, les motifs présentant des variations angulaires moins importantes assurent une réduction moindre mais avec de meilleures performances en rayonnement.
On préférera toutefois, des motifs alternés, leur symétrie aidant à garder des niveaux de polarisation croisée comparables à ceux d'une antenne de référence de type connu (voir figures 1 et 2).
Les figures 3a, 4a et 5a illustrent des motifs de référence dits « simples ».
Par motif de référence simple on entend, une forme géométrique de support un axe directeur AA' du brin rayonnant, choisie parmi le groupe suivant : trapèze dans lequel une des bases est supprimée MR1 , triangle dans lequel la base est supprimée MR2, carré dans lequel la base est supprimée MR3.
La figure 3a illustre selon un premier mode de réalisation, un motif de référence MR1 qui est un trapèze de support l'axe AA' d'un brin rayonnant dans lequel la grande base est supprimée. La figure 4a illustre selon un deuxième mode de réalisation, un motif de référence MR2 qui est un triangle de support l'axe directeur AA' d'un brin rayonnant dans lequel la base est supprimée.
La figure 5a illustre selon un troisième mode de réalisation, un motif de référence MR3 qui est un carré de support l'axe directeur AA' d'un brin rayonnant dans lequel la base est supprimée.
Les figures 3b, 4b et 5b illustrent respectivement l'ordre 2 d'un fractal F1 , F2, F3 suite à une itération des motifs de référence des figures 3a, 4a et 5a, respectivement. Les figures 3c, 4c et 5c illustrent respectivement l'ordre 3 d'un fractal
F1 \ F2', F3' suite à deux itérations des motifs de référence des figures 3a, 4a et 5a.
Les figures 6a et 7a illustrent des motifs de référence dits « alternés ». La figure 6a illustre selon un quatrième mode de réalisation un motif de référence MR4 qui comprend deux trapèzes isocèles en opposition par rapport à l'axe directeur AA' du brin rayonnant et espacés de la largeur de la petite base, dans lesquels la grande base a été supprimée.
L'angle θ entre un côté s'étendant de la petite base vers la grande base et l'axe AA' du brin rayonnant est fixé comme un compromis entre la réduction de la hauteur de l'antenne et les performances en polarisation croisée.
La figure 7a illustre selon un cinquième mode de réalisation un motif de référence MR5 qui comprend deux triangles équilatéraux en opposition par rapport à l'axe AA' du brin rayonnant et espacés de la largeur d'un côté, dans lesquels la base a été supprimée.
Les figures 6b et 7b illustrent l'ordre 2 d'un fractal F4, F5 suite à une itération des motifs de référence des figures 6a et 7a respectivement.
Les brins rayonnants de l'antenne hélice comprennent un nombre entier de fractals d'ordre au moins égal à deux.
Le nombre de répétitions est fonction de la longueur des brins de l'antenne. Les figures 8a et 8b illustrent de manière schématique en développé des antennes de type hélice comprenant quatre brins rayonnants obtenus par le motif de référence MR4 de la figure 6a avec θ = 30° et θ = 45°, respectivement. L'utilisation des fractals d'ordre au moins égal à deux pour les brins rayonnants permet de réduire la taille de l'antenne.
On comprend donc que les fractals permettent de « replier » les brins de manière optimale sans dégrader les performances de l'antenne.
Pour les antennes de type hélice quadrifilaire, la longueur des brins fixe la fréquence de fonctionnement de l'antenne.
L'utilisation de motifs fractals permet de réduire la longueur effective des brins tout en conservant une longueur « dépliée », à celle d'une antenne sans motifs (brins en forme de bandes métalliques).
La fréquence de fonctionnement de l'antenne est donc inchangée. Un tel effet de repliement est illustré par les figures 9a, 9b, 9c et 9d.
Ces figures illustrent la partie 1 comprenant les brins rayonnants enroulés en hélice. Ce sont des antennes à quatre brins, dites quadrifilaires.
La figure 9a illustre une antenne à quatre brins rayonnants en forme de bande métallique. La figure 9b illustre une antenne à quatre brins rayonnants à motifs obtenus par une itération du motif de référence de la figure 6a avec θ = 30°.
La figure 9c illustre une antenne à quatre brins rayonnants à motifs obtenus par une itération du motif de référence de la figure 6a avec θ = 45°.
La figure 9d illustre une antenne à quatre brins rayonnants à motifs obtenus par une itération du motif de référence de la figure 7b.
Pour les antennes des figures 9a, 9b, 9c et 9d le nombre de tour initié pour l'enroulement en hélice est identique.
Les brins sont en outre tous orientés de la même manière : ils sont enroulés de la même manière en hélice. On constate sur ces figures un gain sur la hauteur de l'antenne.
Il est constaté que les fractals comme motifs pour les brins rayonnants peuvent affecter l'efficacité de l'antenne. Toutefois, les motifs présentés précédemment présentant peu de lignes proches parallèles dont les contributions au rayonnement s'annulent et dégradent ainsi l'efficacité de l'antenne, minimisent cet effet.
En outre, le nombre d'itérations à partir du motif de référence permet de diminuer la hauteur de l'antenne et a une influence sur le taux d'ellipticité et sur la pureté de la polarisation.
Le nombre d'itération est toutefois limité par la réalisation des brins, en particulier leur largeur.
Un test de chevauchement est nécessaire pour s'assurer de la faisabilité des motifs appliqués aux brins rayonnants.
La longueur et la largeur des brins permettent d'ajuster la fréquence de fonctionnement.
La largeur permet en particulier de fixer l'impédance d'entrée, la valeur usuelle étant 50Ω. L'angle d'enroulement en hélice α fixe le nombre de tours de l'hélice et a donc un impact sur le type de diagramme de rayonnement, en particulier la position des maxima de directivité en polarisation principale.
L'espacement d entre un axe support d'un brin et le suivant est lié au périmètre du manchon 15. En particulier, l'espacement d est égal au périmètre du manchon divisé par le nombre de brins de l'antenne.
D'un brin à l'autre l'espacement est identique ce qui permet d'assurer un diagramme de rayonnement symétrique.
Procédé de réalisation
Afin de réaliser une telle antenne, un procédé simple et peu onéreux est mis en œuvre. Un tel procédé est décrit dans le brevet EP 0320404.
Le procédé comprend notamment une étape au cours de laquelle on forme selon des zones déterminées, une pluralité de brins rayonnants destinés à être enroulés en hélice selon une forme de révolution.
En outre, chaque brin rayonnant comprend une répétition d'un même motif qui est défini par un fractal d'ordre au moins égal à deux.
Le procédé comprend par ailleurs les étapes suivantes.
Les figures 10a, 10b, 10c et 10d illustrent les étapes du procédé. On découpe une feuille de circuit imprimé 100 souple double face 101 , 102 aux dimensions correspondantes pour un manchon cylindrique 15 de dimensions données.
On délimite sur le circuit imprimé 100 une première zone 1 et une deuxième zone 2 destinées à contenir les brins rayonnants et un circuit d'alimentation 20, respectivement.
On supprime la métallisation au niveau de la première zone sur une première face 101 du circuit imprimé 100, la métallisation étant maintenue sur la totalité de la deuxième zone 102 pour constituer le plan de propagation de référence.
On forme sur la deuxième face 102 du circuit imprimé 100, par enlèvement de matière au niveau de la première zone 1 d'une part de la métallisation selon les zones déterminées les brins rayonnants et la zone conductrice 10 supérieure et au niveau de la deuxième zone 2 d'autre part une zone conductrice formant avec le plan de propagation de référence la ligne à ruban.
On enroule la feuille de circuit imprimé 100 côté plan de propagation de référence ou côtés brins rayonnant sur un manchon 15.
Prototypes Afin de valider la structure d'antenne qui vient d'être décrite, plusieurs prototypes ont été simulés.
En particulier, la partie 1 des antennes de type hélice comprend des brins rayonnants aux motifs présentés précédemment.
Ces brins sont connectés au circuit d'alimentation de la partie 2. Les antennes à motif fractal ont été comparées à une antenne hélice de type connu telle que représentée sur les figures 1 et 2.
Les brins rayonnants à motif fractal ont été générés par un code répondant spécifiquement à ce besoin.
Ce code permet en particulier de fixer un motif fractal de référence et de lui appliquer un niveau d'itération donné. Le fractal d'ordre au moins égal à deux ainsi obtenu est ensuite répété un nombre entier de fois avant d'être appliqué sur une forme cylindrique ou conique.
Les sorties du code sont les coordonnées des points définissant les brins rayonnants soit à plat pour la réalisation du masque nécessaire à la fabrication du circuit imprimé soit sur une forme cylindrique ou conique comme entrée pour un logiciel commercial de simulation électromagnétique.
Afin de comparer les performances, la fréquence de fonctionnement est identique entre l'antenne de référence et les antennes à motif fractal. A cet effet la longueur des brins a été ajustée.
Les antennes aux brins rayonnants illustrées par la figure 8a (antenne A) et la figure 8b (antenne B) sont comparées à une antenne de référence pour une fréquence de fonctionnement égale à 1 ,85 GHz.
L'impédance d'entrée des antennes est de 50 Ω. Compte tenu des applications visées, le taux d'ellipticité doit être inférieur à 2dB sur une gamme d'angle d'élévation la plus étendue possible.
En outre pour obtenir une polarisation circulaire les quatre brins rayonnants sont alimentés par des tensions de phase respectivement égales à 0°, 90°, 180° et 270°. La largeur des brins a été adaptée de manière à ce que la fréquence de fonctionnement pour les trois antennes soit identique.
Un même manchon 15 est utilisé pour la réalisation de l'antenne de référence, de l'antenne A et de l'antenne B. Le manchon 15 en question a un diamètre égal à 25 mm. La distance entre deux brins consécutifs correspond au quart du périmètre du manchon, si l'on néglige l'épaisseur du substrat supportant les brins imprimés. Pour les trois antennes analysées, cette distance est égale à 20 mm.
Le tableau ci-dessous récapitule les caractéristiques des antennes testées.
Le gain sur la hauteur entre l'antenne de référence et les antennes A et B est respectivement de 33% avec un niveau de polarisation croisée dans le demi-espace d'intérêt de -12 dBi et 38% avec un niveau de polarisation croisée dans le demi-espace d'intérêt de -10 dBi.
Ainsi, en relâchant les contraintes sur la polarisation croisée, il est possible d'accroître la réduction de la hauteur de l'antenne.
Les performances souhaitées en polarisation croisée sont à fixer en fonction de l'application visée. Un gain est également obtenu sur la longueur totale des brins ce qui permet de diminuer le coût de fabrication de ces antennes.
L'adaptation des antennes à brins rayonnants fractals est également très bonne.
Les figures 11a et 11 b illustrent des diagrammes de rayonnement simulés des antennes A et B et un diagramme de rayonnement spécifié.
Sur ces figures, la courbe 80 est le diagramme de rayonnement en polarisation principale, la courbe 81 est le diagramme de rayonnement en polarisation croisée et la courbe 82 est un gabarit représentant les valeurs minimales requises en polarisation principale pour un système de téléméthe embarqué sur des ballons stratosphériques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne de type hélice comprenant une pluralité de brins rayonnants enroulés en hélice selon une forme de révolution (15), caractérisée en ce que chaque brin rayonnant comprend une répétition d'un même motif qui est défini par un fractal (F1 , FV, F2, F2', F3, F3\ F4, F5) d'ordre au moins égal à deux.
2. Antenne selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le fractal (F1 , F1 \ F2, F2\ F3, F3\ F4, F5) est généré par itération d'étapes de réduction d'un motif de référence puis application du motif obtenu au motif de référence.
3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les étapes itérées comprennent en outre une opération de rotation et/ou d'aplatissement et/ou de cisaillement du motif.
4. Antenne selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que le motif de référence (MR1 , MR2, MR3) comprend une forme géométrique de support un axe directeur (AA') du brin rayonnant, choisie parmi le groupe suivant : trapèze dans lequel une des bases est supprimée, triangle dans lequel la base est supprimée, carré dans lequel la base est supprimée.
5. Antenne selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que le motif de référence (MR4, MR5) comprend deux formes géométriques identiques de support l'axe directeur (AA') du brin rayonnant, alternées par rapport audit axe (AA').
6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que le motif de référence (MR4) comprend deux trapèzes isocèles identiques de support l'axe directeur (AA') du brin rayonnant, alternés par rapport audit axe (AA') et espacés de la largeur de la petite base, dans lesquels une des bases est supprimée.
7. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que le motif de référence (MR5) comprend deux triangles équilatéraux identiques de support l'axe directeur (AA') du brin rayonnant, alternés par rapport audit axe (AA') et espacés de la largeur d'un côté, dans lesquels la base est supprimée.
8. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque brin rayonnant comprend un nombre entier de fractals (F1 J F1 ', F2J F2'J F3J F3'J F4J F5).
9. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les brins rayonnants sont chacun constitués par une zone métallisée déterminée, enroulée en hélice sur la surface latérale d'un manchon (15), tel que l'axe directeur (AA', BB', CC, DD') de chaque brin est distant de l'axe du brin suivant d'une distance (d) déterminée, définie selon toute perpendiculaire à toute ligne directrice (L) du manchon (15) comme la distance entre deux points, chacun défini par une intersection entre l'axe d'un brin et une perpendiculaire à toute ligne directrice (L) du manchon (15).
10. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la distance (d) entre l'axe de chaque brin est égale au périmètre du manchon divisé par le nombre de brins rayonnants.
11. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les brins rayonnants sont connectés d'une part en court circuit au niveau d'une première extrémité à une zone conductrice (10) et d'autre part au niveau d'une deuxième extrémité à un circuit d'alimentation (20).
12. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit imprimé (100) sur lequel sont formées les zones métallisées, le circuit étant apte à être enroulé autour d'un manchon (15) formant forme de révolution.
13. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque brin rayonnant est obtenu par enlèvement de matière d'une zone métallisée du circuit imprimé (100) de part et d'autre des motifs des brins rayonnants.
14. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la forme de révolution (15) est cylindrique ou conique.
15. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les brins rayonnants sont identiques.
16. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'antenne comprend quatre brins rayonnants.
17. Système de télémétrie comprenant une antenne selon l'une des revendications précédentes.
18. Procédé de fabrication d'une antenne de type hélice, comprenant une étape au cours de laquelle on forme selon des zones déterminées une pluralité de brins rayonnants destinés à être enroulés en hélice selon une forme de révolution (15), caractérisé en ce que chaque brin rayonnant comprend une répétition d'un même motif qui est défini par un fractal d'ordre au moins égal à deux.
19. Procédé selon la revendication 18, comprenant en outre les étapes suivantes : - on découpe une feuille de circuit imprimé (100) souple double face (101 , 102) aux dimensions correspondantes pour un manchon cylindrique (15) de dimensions données ; on délimite sur le circuit imprimé (100) une première zone (1 ) et une deuxième zone (2) destinée à contenir les brins rayonnants et un circuit d'alimentation (20), respectivement ; on supprime la métallisation au niveau de la première zone (1 ) sur une première face (101 ) du circuit imprimé (100), la métallisation étant maintenue sur la totalité de la première zone (1 ) pour constituer le plan de propagation de référence ; on forme sur la deuxième face (102) du circuit imprimé (100), au niveau de la première zone (1 ), par enlèvement de matière de la métallisation de part et d'autre des zones déterminées, les brins rayonnants et la zone conductrice supérieure et au niveau de la deuxième zone (102), par enlèvement de matière de la métallisation une zone conductrice formant avec le plan de propagation de référence la ligne à ruban ; on enroule la feuille de circuit imprimé (100) côté plan de propagation de référence ou côtés brins rayonnant sur un manchon (15).
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