FR2498015A1

FR2498015A1 - Microstrip antenna with rectangular baseplate - has axial groove covered by metal strip extending from one plate edge with excitation points supplied from tree form strip line

Info

Publication number: FR2498015A1
Application number: FR8100252A
Authority: FR
Inventors: Gerard Dubost; Roger Frin
Original assignee: Etat Francais
Current assignee: Etat Francais
Priority date: 1981-01-09
Filing date: 1981-01-09
Publication date: 1982-07-16

Abstract

The short circuit, linearly polarised, wide band strip antenna has a rectangular earth plate (1) adjacent one longer edge (3) of which is provided a shallow rectangular cross-section groove (2). The groove is closed by a metal strip (6) extending from the plate edge up to the remote edge of the groove, the strip being insulated from the groove edge by an insulating layer (10) covering the remainder of the plate surface. A printed circuit strip line (15) extends in symmetrical tree form from a common point at the opposite longer plate edge to typically sixteen points of the inner edge of the metal strip to supply excitation currents at high frequency and of equal amplitude and phase. The cross-sectional groove length is of the order of a quarter wavelength while the metal strip is of greater length than a wavelength. The plate (1) may be arranged as a cylinder or truncated cone.

Description

La présente invention concerne une antenne en bande court-circuitée polarisée linéairement et à large bande. The present invention relates to a linearly polarized and wideband short-circuited band antenna.

Dans le certificat d'addition NO 79 05580 déposé le 5 mars 1979 par le présent demandeur, on a décrit un doublet en plaques qui est court-circuité à ses extrémités. Dans la direction perpendiculaire au champ électrique, la dimension de ce doublet est inférieure à 1/2, où 1 est la longueur d'onde dans le vide. Un tel doublet plaque courtcircuité, fonctionnant à la résonance ou en dehors de la résonance, possède une bande passante pouvant, en pourcentage, atteindre 10 % pour une fréquence de fonctionnement de l'ordre de 730 MHz. In the addition certificate NO 79 05580 deposited on March 5, 1979 by the present applicant, a plate doublet has been described which is short-circuited at its ends. In the direction perpendicular to the electric field, the dimension of this doublet is less than 1/2, where 1 is the wavelength in vacuum. Such a short circuited plate doublet, operating at resonance or outside resonance, has a pass band which can, in percentage, reach 10% for an operating frequency of the order of 730 MHz.

Un objet de la présente invention consiste à prévoir une antenne en plaque, également court-circuitée, dont la "largeur", telle que définie ci-dessus, soit largement supérieure à la longueur d'onde de fonctionnement. An object of the present invention is to provide a plate antenna, also short-circuited, whose "width", as defined above, is much greater than the operating wavelength.

On a déjà tenté d'augmenter la "largeur" d'un doublet plaque ouvert demi-onde, comme cela est décrit dans l'article technique intitulé "Build Microstrip Antennas with paper thin dimensions" par
I.J. Bahl et paru dans la revue technique américaine "Microwaves", octobre 1979, page 50. Ce doublet ouvert, quand il est excité convenablement, à une bonne directivité dans le plan H, mais a une bande passante limitée à 4 X. We have already attempted to increase the "width" of a half-wave open plate doublet, as described in the technical article entitled "Build Microstrip Antennas with paper thin dimensions" by
IJ Bahl and published in the American technical review "Microwaves", October 1979, page 50. This open doublet, when it is suitably excited, has good directivity in the H plane, but has a bandwidth limited to 4 X.

Un autre objet de l'invention conslste à prévoir une antenne ayant une largeur de bande nettement améliorée par rapport aux antennes mentionnées ci-dessus. Another object of the invention is to provide an antenna having a significantly improved bandwidth compared to the antennas mentioned above.

Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévue une antenne en bande court-circuitée constituée par une plaque plane conductrice près d'un bord droit de laquelle est prévu un sillon à section en U très aplati, lequel est recouvert d'une bande conductrice en contact galvanique avec la partie de plaque située entre le sillon et ledit bord de plaque et recouvrant entièrement ledit sillon, le bord interne de ladite bande étant isolé du bord interne du sillon, une pluralité de points dudit bord interne de la bande étant alimentés en courants électriques d'excitation à très haute fréquence équiamplitudes et équiphases, le périmètre de la section droite du sillon pratiquement fermée par la bande étant de l'ordre du quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence desdits courants d'excitation et la longueur de la bande étant très grande devant ladite longueur d'onde. According to a characteristic of the invention, there is provided an antenna in short-circuited strip formed by a flat conductive plate near a straight edge of which is provided a groove with very flat U-shaped section, which is covered with a strip conductive in galvanic contact with the plate part situated between the groove and said plate edge and entirely covering said groove, the internal edge of said strip being isolated from the internal edge of the groove, a plurality of points of said internal edge of the strip being supplied in electric excitation currents at very high frequency equiamplitudes and equiphases, the perimeter of the cross section of the groove practically closed by the band being of the order of a quarter of the wavelength corresponding to the frequency of said excitation currents and the length of the strip being very large in front of said wavelength.

Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparartront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels:
la Fig. 1 est une vue en plan d'une antenne bande suivant l'invention,
la Fig. 2 est une vue partielle en perpespective de l'antenne de la Fig. 1,
ia Fig. 3 est une vue partielle en coupe de l'antenne bande de la Fig. 1,
la Fig. 4 représente des diagrammes de directivité théoriques et pratiques concernant l'antenne bande de la Fig. 1, et
la Fig. 5 est une vue schématique en perspective d'un exemple d'application d'une antenne du type de celle de la Fig. 1.The characteristics of the invention mentioned above, as well as others, will appear more clearly on reading the following description of an exemplary embodiment, said description being made in relation to the accompanying drawings, among which:
Fig. 1 is a plan view of a band antenna according to the invention,
Fig. 2 is a partial perspective view of the antenna of FIG. 1,
ia Fig. 3 is a partial sectional view of the band antenna of FIG. 1,
Fig. 4 represents theoretical and practical directivity diagrams concerning the band antenna of FIG. 1, and
Fig. 5 is a schematic perspective view of an example of application of an antenna of the type of that in FIG. 1.

L'antenne bande représentée aux Figs. 1 à 3 comprend une plaque de masse 1 dans laquelle a été prévu un sillon ouvert 2 de section en
U aplati. Le sillon 2 a une direction parallèle au bord 3 de la plaque 1. La profondeur h du sillon 2 est petite par rapport à sa largeur m. La distance du bord 3 au bord 4 du sillon, qui est le plus proche du bord 3, est, dans l'exemple décrit, de l'ordre de la largeur du sillon, mais est en pratique indifférente.The band antenna shown in Figs. 1 to 3 includes a ground plate 1 in which an open groove 2 of cross section has been provided
U flattened. The groove 2 has a direction parallel to the edge 3 of the plate 1. The depth h of the groove 2 is small compared to its width m. The distance from the edge 3 to the edge 4 of the groove, which is closest to the edge 3, is, in the example described, of the order of the width of the groove, but is in practice indifferent.

Sur la partie 5 de la face supérieure de la plaque 1 qui relie les bords 3 et 4, est fixée une bande métallique 6 dont la largeur est égale à celle de 5, plus celle du sillon 2, noirs une très petite quantité, de manière à laisser un intervalle entre le bord 7 de 6, le plus éloigné de 3, et l'autre bord 8 du sillon. On the part 5 of the upper face of the plate 1 which connects the edges 3 and 4, is fixed a metal strip 6 whose width is equal to that of 5, plus that of the groove 2, black a very small amount, so leave an interval between edge 7 of 6, the furthest from 3, and the other edge 8 of the groove.

Sur la partie 9 de la face supérieure de la plaque 1, au-delà de 8, est prévu un revêtement isolant 1O dont un bord 11 est intercalé entre les bords 7 et 8, et qui porte un circuit d'alimentation imprimé 12. On the part 9 of the upper face of the plate 1, beyond 8, an insulating coating 10 is provided, one edge 11 of which is interposed between the edges 7 and 8, and which carries a printed supply circuit 12.

La longueur W du bord 3, c'est à dire aussi de la plaque 1 et de la bande 6, correspond à la "largeur" de l'antenne. The length W of the edge 3, that is to say also of the plate 1 and of the strip 6, corresponds to the "width" of the antenna.

Le circuit imprimé d'alimentation 12 a la forme d'un arbre symétrique par rapport à l'axe 13 de symétrie de l'antenne. La base 14 de l'arbre 12 constitue l'entrée d'alimentation qui est reliée à une embase coaxiale par un passage classique ligne à bande-ligne coaxiale. Dans l'exemple de réalisation décrit, l'arbre se subdivise jusqu'à obtenir seize branches 15 dont les extrémités sont soudées à la base du bord 7 de la bande 6. En pratique, l'arbre 12 est un distributeur classique en lignes à bande permettant d'exciter N = points, avec p = 4 dans l'exemple décrit, avec des courants d'amplitudes et phases constantes. La masse des lignes à bande est la plaque 1 qui sert de réflecteur. The power supply circuit 12 has the shape of a shaft symmetrical with respect to the axis 13 of symmetry of the antenna. The base 14 of the shaft 12 constitutes the supply inlet which is connected to a coaxial base by a conventional passage from line to band-coaxial line. In the embodiment described, the tree is subdivided until sixteen branches 15 are obtained, the ends of which are welded to the base of the edge 7 of the strip 6. In practice, the shaft 12 is a conventional distributor in lines with strip allowing to excite N = points, with p = 4 in the example described, with currents of constant amplitudes and phases. The mass of the strip lines is plate 1 which serves as a reflector.

Du point de vue électrique, la bande 6, qui constitue la bande rayonnante, est excitée par les extrémités des branches 15 et est court-circuitée à la plaque 1 par la partie 5. La partie rayonnante de 6 se trouve, au-dessus du sillon 2 à une hauteur h du fond de celui-ci. La somme (m + 2h) est voisine du quart de longueur d'onde. From the electrical point of view, the strip 6, which constitutes the radiating strip, is excited by the ends of the branches 15 and is short-circuited to the plate 1 by the part 5. The radiating part of 6 is located, above the groove 2 at a height h from the bottom thereof. The sum (m + 2h) is close to a quarter of a wavelength.

La multiplication des points d'excitation "forcée", qui est obtenue par les branches 15, permet d'obtenir l'augmentation de la "largeur" de l'antenne. Si l'on veut exciter de façon privilégiée, le mode T.E.M., en évitant les modes d'ordre supérieur, le nombre N de points d'excitation équiphases doit largement excéder le nombre immédiatement supérieur à W/J. The multiplication of "forced" excitation points, which is obtained by the branches 15, makes it possible to obtain the increase in the "width" of the antenna. If one wishes to excite in a privileged way, the T.E.M. mode, by avoiding the higher order modes, the number N of excitation points equiphases must largely exceed the number immediately greater than W / J.

A la résonance, la directivité théorique maximale isotrope linéaire de la bande rayonnante 6 est la suivante: DM = 4 (WA/4) = m 9 W (1)
A2
En effet, la surface rayonnante de la bande court-circuitée à la résonance quart d'onde est égale à W )/4. At resonance, the maximum theoretical linear isotropic directivity of the radiating band 6 is as follows: DM = 4 (WA / 4) = m 9 W (1)
A2
Indeed, the radiating surface of the band short-circuited at the quarter wave resonance is equal to W) / 4.

Le diagramme de directivité dans le plan H est donné approximativement par celui d'un réseau de N sources de mêmes amplitudes et phases dont la distance entre sources adjacentes est égale à W/N = w/2. Ce diagramme normalisé est le suivant:

The directivity diagram in the H plane is given approximately by that of a network of N sources of the same amplitudes and phases whose distance between adjacent sources is equal to W / N = w / 2. This standardized diagram is as follows:

W 1 sine avec u =. . W 1 sine with u =. .

Dans le plan "H", e = O correspond à la direction du maximum de rayonnement. Le rayonnement directif de la bande rayonnante courtcircuitée est transversal à polarisation linéaire. In the "H" plane, e = O corresponds to the direction of the maximum radiation. The directional radiation of the short-circuited radiating band is transverse with linear polarization.

Dans un modèle de réalisation, qui a été expérimenté, W était de 352 mm, N = 16, h = 1,8 mm, l'isolant 10 du circuit imprimé avait une épaisseur de 0,4 mm et un coefficient tr égal à 2,32. On a fait fonctionner cette antenne dans une bande de fréquences centrée autour de la fréquence 5,4 GHz et on a obtenu les résultats qui sont consignés dans le tableau I ci-dessous. In an embodiment, which was tested, W was 352 mm, N = 16, h = 1.8 mm, the insulator 10 of the printed circuit had a thickness of 0.4 mm and a coefficient tr equal to 2 , 32. This antenna was operated in a frequency band centered around the frequency 5.4 GHz and the results were obtained which are reported in Table I below.

Tableau I f(GHz) mes th r (dB) D (dB) G
3dB M m dB)
(degrés) (degrés)
4,8 9,0 8,97 - 40 12,48 10,3 61
4,9 8,7 8,79 - 33 12,57 10,9 68
5,0 9,0 8,61 - 30 12,65 12,0 86
5,1 8,5 8,55 - 30 12,74 10,5 60
5,2 8,5 8,28 - 30 12,83 10,7 61
5,4 8,0 7,97 - 30 12,99 12,6 91
5,6 7,7 7,69 - 30 13,14 12,6 88
5,8 7,7 7,42 - 27 13,30 11,2 62
5,9 7,2 7,30 - 27 13,37 10,1 47
6,0 7,0 7,18 - 28 13,45 11,0 57
Il apparat que le rayonnement de cette antenne est directif dans le plan "H" et très peu directif dans le plan "E". Sa polarisa mes tion est linéaire.Dans le tableau I, #3dB correspond à l'ouvertureà th 3 dB du faisceau principal mesurée dans le plan H, e3dgcorrespond à l'ouverture correspondante théorique pour une ligne de source conti th nue équiamplitude et équiphase - #3dB(degrés) = 50.5 #/W -, #(dB) est le taux de composante croisée mesuré dans l'axe de rayonnement maximal pour e = oo, DM(dB) est la directivité maximale théorique donnée par la formule (1) ci-dessus, G (dB) est le gain mesuré
m correspondant et #(%) est le rendement de l'antenne.Table I f (GHz) mes th r (dB) D (dB) G
3dB M m dB)
(degrees) (degrees)
4.8 9.0 8.97 - 40 12.48 10.3 61
4.9 8.7 8.79 - 33 12.57 10.9 68
5.0 9.0 8.61 - 30 12.65 12.0 86
5.1 8.5 8.55 - 30 12.74 10.5 60
5.2 8.5 8.28 - 30 12.83 10.7 61
5.4 8.0 7.97 - 30 12.99 12.6 91
5.6 7.7 7.69 - 30 13.14 12.6 88
5.8 7.7 7.42 - 27 13.30 11.2 62
5.9 7.2 7.30 - 27 13.37 10.1 47
6.0 7.0 7.18 - 28 13.45 11.0 57
It appears that the radiation from this antenna is directive in the "H" plane and very little directive in the "E" plane. Its polarization is linear. In Table I, # 3dB corresponds to the aperture at th 3 dB of the main beam measured in the H plane, e3dg corresponds to the corresponding theoretical aperture for a source line with continuous equiamplitude and equiphase - # 3dB (degrees) = 50.5 # / W -, # (dB) is the cross component rate measured in the maximum radiation axis for e = oo, DM (dB) is the theoretical maximum directivity given by the formula (1 ) above, G (dB) is the gain measured
m corresponding and # (%) is the efficiency of the antenna.

On observera que les ouvertures des faisceaux théorique et expérimental sont très proches les unes des autres et prcuvent la validité de l'hypothèse sur la distribution de courant de conduction. It will be observed that the openings of the theoretical and experimental beams are very close to each other and predict the validity of the hypothesis on the distribution of conduction current.

Le taux de polarisation très faible prouve la grande pureté de la polarisation.The very low polarization rate proves the high purity of the polarization.

On observera également que la dispersion du rendement, dont la valeur moyenne est égale à 68 %, est due à l'incertitude de t 0,5 dB sur la valeur du gain mesuré. Les pertes correspondantes sont dues pour une part au distributeur qui peut être amélioré. En pratique, cette valeur moyenne de rendement de 68 % est considérée comme excellente. Enfin, la bande passante de 22 % autour de 5,4 GHz est très large. It will also be observed that the dispersion of the yield, the average value of which is equal to 68%, is due to the uncertainty of t 0.5 dB on the value of the gain measured. The corresponding losses are partly due to the distributor, which can be improved. In practice, this average yield value of 68% is considered excellent. Finally, the bandwidth of 22% around 5.4 GHz is very wide.

La Fig. 4 montre les diagrammes de directivité théorique et expérimental à la fréquence centrale de 5,4 GHz dans le plan "H". Le diagramme théorique résulte de l'application de la formule (2) cidessus. Le lobe principal et les deux premiers lobes secondaires théoriques et expérimentaux colncident bien. Les lobes secondaires suivants, de niveaux plus faibles, sont différents à cause de la diffraction sur les bords de l'antenne, dont il n'a pas été tenu compte. Dans le plan "E", le diagramme de directivité est très large en raison du rayonnement du courant du court-circuit. Ce diagramme, dans le plan "E", est comparable à celui du doublet court-circuité de faible largeur. Fig. 4 shows the theoretical and experimental directivity diagrams at the central frequency of 5.4 GHz in the "H" plane. The theoretical diagram results from the application of formula (2) above. The main lobe and the first two theoretical and experimental secondary lobes coincide well. The following secondary lobes, at lower levels, are different due to the diffraction around the edges of the antenna, which has not been taken into account. In the "E" plane, the directivity diagram is very wide due to the radiation of the short-circuit current. This diagram, in the plane "E", is comparable to that of the short-circuited doublet of small width.

La bande passante obtenue pour la bande rayonnante court-circuitée quart-d'onde, suivant l'invention, qui est supérieure à 22 %, est très largement supérieure à celle d'un modèle de bande rayonnante demi-onde ouverte qui est, par principe, limitée à quelques pour cent. Le rendement est correct et peut être amélioré en utilisant un distributeur plus épais. The bandwidth obtained for the short-circuited quarter-wave radiating band, according to the invention, which is greater than 22%, is very much greater than that of an open half-wave radiating band model which is, by principle, limited to a few percent. The yield is correct and can be improved by using a thicker dispenser.

A titre de variante, la Fig. 5 montre une feuille isolante 16, prête à être enroulée sur un cône ou un cylindre 17, qui simule ici un véhicule rapide. Dans cette variante, la feuille 16 remplace la carte isolante 10 de la Fig. 1 et porte un circuit imprimé formé d'un distributeur d'alimentation 18, analogue à 12, et d'une bande métallique 19 qui remplace la bande 6 de la Fig. 1. La partie cylindrique 17 présente une gorge circulaire 20 dont la section méridienne est en U très aplati, comme le sillon 2 de la Fig. 1. En avant de la gorge 20, est prévue une rangée circulaire de trous 21 servant au moyen de vis 22 passant, à travers des trous correspondant de la feuille 16, au niveau de la bande 19, à relier électriquement cette bande au corps métallique du cylindre, c'est à dire à réaliser les courts-circuits désirés. As a variant, FIG. 5 shows an insulating sheet 16, ready to be wound on a cone or a cylinder 17, which here simulates a fast vehicle. In this variant, the sheet 16 replaces the insulating card 10 in FIG. 1 and carries a printed circuit formed by a power distributor 18, similar to 12, and a metal strip 19 which replaces the strip 6 of FIG. 1. The cylindrical part 17 has a circular groove 20, the meridian section of which is in a very flat U-shape, like the groove 2 in FIG. 1. In front of the groove 20, a circular row of holes 21 is provided serving by means of screws 22 passing, through corresponding holes of the sheet 16, at the level of the strip 19, to electrically connect this strip to the metal body of the cylinder, ie to achieve the desired short circuits.

On peut, dans l'exemple de réalisation de la Fig. 1, intégrer également la bande rayonnante sur le circuit imprimé du distributeur et éventuellement supprimer la discontinuité de structure du sillon. In the exemplary embodiment of FIG. 1, also integrate the radiating strip on the printed circuit of the distributor and possibly eliminate the discontinuity of the groove structure.

De même, dans la variante de la Fig. 5, on peut ou non conserver le sillon ou gorge 20. Likewise, in the variant of FIG. 5, the groove or groove 20 may or may not be kept.

Enfin, si on utilise plusieurs bandes rayonnantes plates parallèles, pour accroître la directivité dans le plan "E", on obtient des antennes plaques à grand gain dont la conception est particulierement bien adaptée à l'intégration d'éléments actifs, tels que des diodes
PIN, pour engendrer un balayage électronique du faisceau. Finally, if several parallel flat radiating bands are used, to increase the directivity in the "E" plane, we obtain high gain plate antennas whose design is particularly well suited to the integration of active elements, such as diodes
PIN, to generate an electronic beam scan.

Claims

1) Linearly polarized and wideband short-circuited band antenna, characterized in that it consists of a flat conductive plate 1 near a straight edge (3) of which a groove (2) with a cross-section is provided U very flattened, which is covered with a conductive strip (6) in galvanic contact with the part (5) of the plate (1) located between the groove (2) and said edge (3) of plate and completely covering said groove (2), the internal edge (7) of said strip (6) being isolated from the internal edge (8) of the groove (2), a plurality of points of said internal edge (7) of the strip (5) being supplied with currents electric excitation at very high frequency equiamplitudes and equiphases, the perimeter of the cross section of the groove (2) being of the order of a quarter of the wavelength corresponding to the frequency of said excitation currents and the length of the strip (6) being very large in front of said wavelength.

2) Antenna according to claim 1, characterized in that said conductive plate (17) is not planar, but of cylindrical or conical surface, as well as said strip (19).

3) Antenna according to claim 1 or 2, characterized in that the points of the internal edge (7) of the strip (6 or 19) are supplied by a line with symmetrical tree structure strips (15) produced in printed circuit.

4) Antenna according to claim 3, characterized in that the strip (19) is also printed on the insulating sheet (16) carrying said shaft.