EP2828931B1

EP2828931B1 - Antenne helice compacte a profil sinusoidal modulant un motif fractal

Info

Publication number: EP2828931B1
Application number: EP13713401.1A
Authority: EP
Inventors: Hervé AUBERT; Hubert Diez; Daniel BELOT; Alexandru Takacs
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: FR2988524A1; US9698474B2; WO2013139935A1; EP2828931A1; CN104247151B; JP6093004B2; CN104247151A; US20150048996A1; FR2988524B1; JP2015511096A

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL

L'invention concerne les 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 helix 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% (réduction de la hauteur) 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.
Le document FR 2 916 581 décrit une antenne de type hélice comprenant des brins rayonnants constitués d'une répétition d'un motif fractal.
Toutefois, l'utilisation de ces motifs ne permet pas de réduire significativement la taille de l'antenne.
En outre les motifs fractals composés de segments rectilignes présentent un nombre beaucoup moins important de degrés de liberté sur lesquels le concepteur peut jouer afin d'ajuster et d'optimiser les performances de l'antenne compacte. De plus, à hauteur d'antenne donnée, beaucoup moins de solutions comportant ces motifs existent.

PRESENTATION DE L'INVENTION

L'invention permet de réduire l'encombrement des antennes hélice de type connu et notamment de réduire la hauteur de telles antennes. L'invention est définie par la revendication indépendante 1.
A cet effet selon un premier aspect l'invention concerne une antenne de type hélice comprenant une forme de révolution et une pluralité de brins rayonnants enroulés en hélice autour de la forme de révolution, caractérisée en ce que chaque brin rayonnant est défini par une répétition d'un motif fractal comportant des segments constitués par une courbe sinusoïdale.
L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :

chaque segment correspond à une demi-période d'une courbe sinusoïdale définie par $y (x) = S . k . L' . \sin (\frac{π}{L'} . x)$
où : S est un entier à valeur dans {-1; +1}, k est le rapport entre l'amplitude de la sinusoïde et sa demi-longueur d'onde ;
chaque segment du motif fractal à une longueur identique ;
le fractal est du type Von Koch dont chaque ligne droite est remplacée par un segment sinusoïdal ;
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 forme de révolution est cylindrique ou conique ;
l'antenne comprend quatre brins rayonnants identiques ;
la longueur d'un brin déroulé est de l'ordre de $k . \frac{λ}{4}$
où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.

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 dessins annexés sur lesquels

la figure 1 illustre de manière schématique en développé une antenne hélice de type connu comprenant des brins rayonnants rectilignes ;
la figure 2 illustre de manière schématique une vue de face d'une antenne hélice de type connu comprenant des brins rayonnants rectilignes ;
les figures 3a, 3b et 3c illustrent un motif de référence de type Von Koch avec des segments rectilignes et avec des segments constitués par une courbe sinusoïdale ;
les figures 4a, 4b et 4c illustrent respectivement un premier motif de référence, fractal d'ordre 1, un fractal d'ordre 2 et un fractal d'ordre 3 ;
les figures 5a, 5b et 5c illustrent respectivement, un second motif de référence, fractal d'ordre 1, un fractal d'ordre 2 et un fractal d'ordre 3 ;
les figures 6a, 6b et 6c illustrent respectivement, un troisième motif de référence, fractal d'ordre 1, un fractal d'ordre 2 et un fractal d'ordre 3 ;
les figures 7a et 7b illustrent respectivement, un quatrième motif de référence, fractal d'ordre 1 et un fractal d'ordre 2 ;
les figures 8a et 8b illustrent 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 9a, 9b, 9c illustrent un motif de référence de type Von Koch avec des segments constitués par une courbe sinusoïdale selon plusieurs réalisations ;
la figure 10 illustre une réalisation d'une antenne de type hélice selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Structure générale de l'antenne

Les figures 1 et 2 illustrent respectivement une vue en développé et une vue de face d'une antenne hélice comprenant quatre brins rayonnants enroulé en hélice.
Une 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 quadrifilaires 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 pour les brins rayonnants de la partie 1 de l'antenne des motifs particuliers qui vont être décrits ci-dessous. La partie 2 de l'antenne est quant à elle de type connu et ne sera pas plus détaillée.

Motifs des brins rayonnants

Les brins rayonnant sont constitués par un fractal, comportant des segments constitués par une courbe sinusoïdale.
On appelle segment, un élément élémentaire du motif fractal.
La figure 3a illustre un motif de référence d'un fractal du type Von Koch comportant trois éléments élémentaires 30, 31, 33. Un tel motif est un fractal d'ordre 1. Sur la figure 3a l'élément élémentaire est un segment rectiligne.
Les fractals ont la propriété d'autosimilarité, ils sont formés de copies d'eux-mêmes à des échelles différentes. Ce sont des courbes auto-similaires et très irrégulières.
Un fractal est notamment composé de répliques réduites, du motif de référence.
Un fractal est généré par itération d'étapes de réduction du motif de référence puis application du motif obtenu au motif de référence.
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 du motif.
Le choix du motif à proprement parler est guidé par les performances en rayonnement de l'antenne.
Pour la génération du fractal du type Von Koch on peut se référer à http://www.mathcurve.com/fractals/koch/koch.shtml.
Pour diminuer la hauteur de l'antenne tout en gardant la même fréquence de fonctionnement (résonance) chaque segment rectiligne du motif fractal est remplacé par un segment sinusoïdal.
Un tel remplacement permet d'augmenter la longueur déployée du brin rayonnant pour une hauteur donnée ou de réduire la hauteur de l'antenne pour une longueur déployée donnée.
La fréquence de résonance de l'antenne est fixée par la longueur déployée des brins rayonnants. Cette longueur déployée est fonction des paramètres de l'hélice (hauteur, rayon et nombre de tours) et de la géométrie du motif utilisé.
La figure 3b illustre un motif de référence utilisé pour les brins de l'antenne hélice, chaque segment 30', 31', 32', 33' du motif fractal est constitué par un segment sinusoïdal.
Dans le cas de la figure 3a on a un motif fractal de type Von Koch de premier ordre composé de quatre segments rectilignes de longueur identique L'/3, L'étant la longueur 'horizontale' du motif. Dans le cas de la figure 3b chaque segment de longueur L'/3 du motif Von Koch (celui de la figure 3a) est remplacé par un segment sinusoïdal (soit une demi-période de sinusoïde).
Tous les segments du motif ont la même longueur.
Un motif fractal est défini par trois paramètres :

la taille de chaque répétition du motif de référence (ordre 1 du motif fractal) ;
le nombre de répétition que l'on appelle nombre de cellules ;
l'itération du fractal que l'on appelle ordre du fractal.
En outre, un brin de l'antenne est défini par les paramètres suivants :
longueur déployée ;
l'angle α correspondant à l'angle d'enroulement en hélice du brin rayonnant ;
longueur de la cellule L ;

La sinusoïde qui module le profil fractal peut être en particulier définie par la fonctionnelle suivante $y = S . k . L' . \sin (\frac{π}{L'} . x)$
où : S est un entier à valeur dans {-1; +1}, constant sur un segment, k est le rapport entre l'amplitude de la sinusoïde et sa demi-longueur d'onde (demi-période) Ainsi, comme on le comprend, la sinusoïde modulant le motif fractal est définie sur une période.
Sur la figure 3b le motif est tel que S = +1 tandis que sur la figure 3c le motif est tel que S = -1.
Ainsi ce motif de référence est constitué par une succession d'arcs de sinusoïde alternés constituant un motif fractal.
La fonction peut être définie segment par segment ou en adoptant une coordonnée curviligne le long du motif.
Dans le case de la figure 3b, la fonctionnelle ci-dessus définie a été appliquée par tranches de deux segments (segments 30, 31 d'une part et segments 32, 33 d'autre part).
Dans le cas de la figure 3a les segments centraux font un angle de 60°. Pour obtenir le motif de la figure 3b on applique d'abord la fonctionnelle à deux segments rectilignes et on les oriente de 60°.On illustre sur les figures 9a, 9b et 9c un motif pour différentes valeurs de k pour S=+1.
Le paramètre k permet d'augmenter la longueur déployée pour chaque segment correspondant du fractal Von Koch : au lieu d'avoir un court segment rectiligne on a un segment sinusoïdal de longueur déployée plus grande. Plus l'amplitude de la sinusoïde est large plus la longueur déployée est grande. Il faut néanmoins veiller à éviter les chevauchements de brins rayonnants lorsque k prend des valeurs de trop fortes.
On peut envisager également d'autres types de motif fractals dans lesquels chaque segment est remplacé par une courbe sinusoïdale.
Les figures 4a, 5a, 6a, 7a et 8a illustrent un motif de référence (fractal d'ordre 1) dont les segments sont rectilignes.
Sur la figure 4a le motif de référence est un triangle dans lequel la base est supprimée.
Sur la figure 5a le motif de référence est un carré dans lequel la base est supprimée.
Sur la figure 6a le motif de référence comprend deux trapèzes isocèles en opposition 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.
Sur la figure 7a le motif de référence comprend deux triangles équilatéraux en opposition et espacés de la largeur d'un côté, dans lesquels la base a été supprimée
Les figures 4b, 5b et 6b, 7b et 8b illustrent respectivement l'ordre 2 d'un motif fractal suite à une itération des motifs de référence des figures 4a, 5a, 6a, 7a, 8a, respectivement.
Les figures 4c, 5c, 6c illustrent respectivement l'ordre 3 d'un motif fractal suite à deux itérations des motifs de référence des figures 4a, 5a, 6a.
Dans le cas de certains motifs notamment ceux du type représentés aux figures 4a, 6a et 7a des croisements entre lignes d'une même cellule sont possibles.
Pour éviter de tels croisements on peut jouer sur l'angle β (voir les figures 4a, 6a et 7a).
L'angle β est l'angle entre le premier segment incliné et la base supprimée.
L'ajustement de cet angle β permet de réduire la longueur des brins.
Dans le cas d'un motif de type Von Koch on a à l'ordre 1, un rapport entre la longueur déployée et la longueur du motif à l'ordre 1 de 4/3. A l'ordre 3 ce rapport est de (4/3)3 ce qui est faible.
Pour obtenir une réduction plus importante on peut jouer sur l'angle β. Le triangle équilatéral du motif Von Koch devient alors isocèle au lieu d'être équilatéral et les deux segments de triangle deviennent plus longs que ceux du triangle équilatéral initial (à longueur L' constante). Leur longueur est de L'/(6.cos β) et le rapport de la longueur déployée sur la longueur L' est donné par ${(\frac{\frac{L'}{3} + 2 \frac{L'}{6 \cos β} + \frac{L'}{3}}{L'})}^{n} = {(\frac{2 \cos β + 1}{3 \cos β})}^{n}$
n étant l'ordre de la courbe fractale. De cette façon, on peut déployer une longueur de brin dans une même longueur. On appelle ce motif de référence un motif « Von Koch modifié ».
Comme précédemment chaque segment constituant les motifs fractals ci-dessus décrits est constitué par une courbe sinusoïdale. Pour des raisons de lisibilité, ces motifs ne sont pas représentés mais au vue de la description ci-dessus, l'homme du métier comprend comment aboutir à l'antenne hélice dont les brins rayonnants sont constitués par un motif fractal dont les segments sont constitués par un segment sinusoïdal.

Exemple de réalisation et performances

Une antenne de type hélice comprenant un fractal du type Von Koch dont les segments ont été remplacés par des segments sinusoïdaux a été réalisée et testée. La figure 10 illustre une réalisation d'une telle antenne.
En particulier, les performances d'une telle antenne ont été mesurées et comparées à une antenne (de référence) de type hélice quadrifilaire comprenant des brins rectilignes l'antenne ayant une hauteur de 514 mm.

Le tableau ci-dessous répertorie les différents paramètres utilisés pour les brins rayonnants. Le fractal de base est un motif de Von Koch.

Ordre	1	1	1	1	1	2	2	2
Nombre de cellules	3	3	3	3	4	2	2	3
α (degrés)	52	52	49	52	52	43	43	50
Longueur de cellule (mm)	155	150	140	135	108	250	243	190
k	0,5	0,5	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7
s	-1	1	-1	1	1	-1	1	-1
Hauteur (mm)	285	276	252	249	265	205	198	254
LHC (dB)	0,88	0,952	0,8	0,97	0,95	0,15	0,202	0,93
RHC (dB)	-10,3	-10,2	-10,3	-11,8	-10,8	-10,2	-11,1	-10,0
S11 (dB)	-6,1	-6	-6,9	-6,9	-6,3	-6,2	-6,3	-6,2
Efficacité	66	64	60	62	62	50	50	55
Taille relative (%)	55,4	53,7	49	48,4	51,6	39,9	38,5	49,4
Gain Max (dB)	2,44	2,41	1,91	2,23	2,26	0,37	0,36	1,6

On constate une réduction de la hauteur de l'antenne. Dans le tableau ci-dessus la taille relative (%) est calculée comme rapport entre la hauteur de l'antenne compacte et la hauteur de l'antenne de référence (514 mm).

En outre, on constate que les meilleures performances sont obtenues avec l'antenne basée sur le motif de Von Koch avec segments sinusoïdaux d'ordre 2 et avec deux cellules. Cette antenne présente le même diagramme à 137MHz et à sa fréquence de résonance (144MHz). En outre, sa hauteur est de 198 mm (taille relative de 38.5%), soit une réduction de 61,5% de la hauteur de l'antenne de référence.

Claims

Antenne de type hélice comprenant une forme de révolution et une pluralité de brins rayonnants enroulés en hélice autour de la forme de révolution, caractérisée en ce que chaque brin rayonnant est défini par une répétition d'un motif fractal comportant des segments, un arc de sinusoïde ayant été appliqué sur chaque segment du motif fractal, de sorte que chaque brin rayonnant présente un motif constitué par une succession d'arcs de sinusoïde alternés, chaque arc ayant comme axe directeur le segment du motif fractal.
Antenne de type hélice selon la revendication 1, dans laquelle chaque segment correspond à une demi-période d'une courbe sinusoïdale définie par $y (x) = S . k . L' . \sin (\frac{π}{L'} . x)$
où : S est un entier à valeur dans {-1; +1}, k est le rapport entre l'amplitude de la sinusoïde et sa demi-longueur d'onde, L'est la longueur horizontale du motif.
Antenne de type hélice selon l'une des revendications 1 à 2, dans laquelle chaque segment du motif fractal à une longueur identique.
Antenne de type hélice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le fractal est du type Von Koch dont chaque ligne droite est remplacée par un segment sinusoïdal.
Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle 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).
Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la forme de révolution (15) est cylindrique ou conique.
Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'antenne comprend quatre brins rayonnants identiques.
Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la longueur d'un brin déroulé est de l'ordre de $k . \frac{λ}{4}$
où λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne.