FR2591807A1 - Dielectric antenna - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne les antennes, notamment les antennes pour la réception des bandes 8, 9 et 10 (30 MHz à 30 GHz), qui sont des bandes utilisées pour la radiocommunication et la télédiffusion. The present invention relates to antennas, in particular antennas for the reception of bands 8, 9 and 10 (30 MHz to 30 GHz), which are bands used for radiocommunication and television broadcasting.
On sait que l'onde électromagnétique peut être représentée par deux vecteurs orthogonaux : un vecteur champ magnétique H et un vecteur champ électrique E, chacun des champs portant la moitié de la puissance totale rayonnée à l'émission. We know that the electromagnetic wave can be represented by two orthogonal vectors: a magnetic field vector H and an electric field vector E, each of the fields carrying half of the total power radiated on emission.
Il est connu de réaliser des antennes de tous types en employant des matériaux conducteurs de l'électricité : un courant y est alors induit par les variations du champ magnétique de l'onde électromagnétique. On connaît ainsi les antennes de type Yagi comportant au moins un élément pilote en forme de di pôle, orienté dans le plan de polarisation de l'onde électromagnétique à recevoir ou à emettre (le plan de polarisation étant, par définition, le plan, horizontal ou vertical, dans lequel se situe le champ électrique dans le cas d'une polarisation verticale par exemple, il est nécessaire que le dipôle métallique soit horizontal, pour induire un courant maximal par les variations du champ magnétique). It is known to produce antennas of all types by using electrically conductive materials: a current is then induced there by the variations of the magnetic field of the electromagnetic wave. There are thus known Yagi type antennas comprising at least one pilot element in the form of a pole, oriented in the plane of polarization of the electromagnetic wave to be received or emitted (the plane of polarization being, by definition, the plane, horizontal or vertical, in which the electric field is located in the case of a vertical polarization for example, it is necessary that the metallic dipole is horizontal, to induce a maximum current by the variations of the magnetic field).
A l'élément pilote peuvent être adjoints des éléments directeurs et réflecteurs, généralement sous la forme de dipôlessupplémentairesorientesdans le même plan que l'élément pilote. To the pilot element can be added guiding and reflective elements, generally in the form of additional dipoles oriented in the same plane as the pilot element.
La présente invention a pour objet de proposer une antenne dont l'élément pilote est réalisé en matériau céramique purement diélectrique. The present invention aims to provide an antenna whose pilot element is made of purely dielectric ceramic material.
On connaît certes des antennes dites "antennes diélectriques", mais celles-ci sont essentiellement constituées par une tige de diélectrique (plastiqo) pleine ou creuse fonctionnant selon la technique d'un guide d'onde, et transmettant donc un mode tel que le maximum de gain (ou de rayonnement , en émission) apparaisse dans la direction de la tige. Certainly known as “dielectric antennas”, but these are essentially constituted by a solid or hollow dielectric rod (plastiqo) operating according to the technique of a waveguide, and therefore transmitting a mode such as the maximum gain (or radiation, emission) appears in the direction of the rod.
L'invention utilise un principe différent, en employant les variations du champ électrique pour induire par influence dans le barreau diélectrique la tension qui sera appliquée à l'entrée du récepteur. The invention uses a different principle, by using the variations of the electric field to induce by influence in the dielectric rod the tension which will be applied to the entry of the receiver.
Plus précisément, 11 antenne selon l'invention, qui comporte au moins un élément pilote en forme de dipôle, est caractérisée en ce que ce dipôle est formé de deux éléments diélectriques alignés en matériau céramique, comportant chacun, à son extrémité proximale, une métallisation pour le prélèvement du signal à recevoir ou l'application du signal à émettre, et en ce que ce dipôle est orienté dans la direction du plan de polarisation de l'onde électromagnétique à recevoir ou à émettre. More precisely, the antenna according to the invention, which comprises at least one pilot element in the form of a dipole, is characterized in that this dipole is formed by two dielectric elements aligned in ceramic material, each comprising, at its proximal end, a metallization for picking up the signal to be received or applying the signal to be transmitted, and in that this dipole is oriented in the direction of the plane of polarization of the electromagnetic wave to be received or to be transmitted.
On utilise pour ce faire une céramique de permittivité élevée dans la bande de fréquences où l'on souhaite travailler. To do this, a ceramic with high permittivity in the frequency band where it is desired to work is used.
Un premier avantage qui en découle est une réduction dimensionnelle importante (dans le rapport C/-r frétant la permittivité relative de la céramique), ce qui permet une miniaturisation importante par rapport à une antenne classique en matériau conducteur, pour une sensibilité comparable. A first advantage which results from this is a significant dimensional reduction (in the ratio C / -r fret the relative permittivity of the ceramic), which allows a significant miniaturization compared to a conventional antenna made of conductive material, for a comparable sensitivity.
Un second avantage est le gain plus élevé que présente cette antenne par rapport à une antenne métallique (un diélectrique parfait n'introduit en effet aucun élément résistif ni inductif) ; l'adaptation à l'impédance d'entrée du récepteur (ou de sortie de l'émetteur) peut être réalisée par des moyens classiques, tels que transformateur ou circuits électroniques (montage émétodyne). A second advantage is the higher gain offered by this antenna compared to a metal antenna (a perfect dielectric does not introduce any resistive or inductive element); adaptation to the input impedance of the receiver (or output of the transmitter) can be carried out by conventional means, such as transformer or electronic circuits (emetodyne mounting).
Toutes les formes d'aériens utilisées pour la réalisation d'antennes en matériau conducteur peuvent être utilisées pour les antennes selon 11 invention, les lets diélectriques étant orientés dans la direction du plan de polarisation. All the forms of aerials used for making antennas of conductive material can be used for the antennas according to the invention, the dielectric leads being oriented in the direction of the plane of polarization.
On peut en particulier réaliser des antennes de type Yagi ou de type dièdre, ou tout autre type d'antenne classique
Plus précisément, on peut adjoindre à l'élé- ment pilote des éléments directeurs formés d'éléments diélectriques réalisés en matériau céramique et orientés selon la même direction que l'élément pilote.One can in particular make antennas of the Yagi type or of the dihedral type, or any other type of conventional antenna.
More precisely, it is possible to add to the pilot element guiding elements formed of dielectric elements made of ceramic material and oriented in the same direction as the pilot element.
On peut également adjoindre à l'élément pilote un élément réflecteur métallique (à faible résistance électrique3. It is also possible to add to the pilot element a metallic reflective element (with low electrical resistance 3.
Cet élément réflecteur peut être formé d'une surface conductrice ; il peut être également formé d'un réseau d'éléments diélectriques parallèles, réalisés en matériau céramique et orientés selon la même directtion que l'élément pilote ; il peut enfin être formé d'une surface diélectrique continue en matériau céramique. This reflective element can be formed of a conductive surface; it can also be formed of a network of parallel dielectric elements, made of ceramic material and oriented in the same direction as the pilot element; it can finally be formed of a continuous dielectric surface of ceramic material.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels
la figure 1 représente schématiquement une antenne de type dièdre réalisée selon les enseignements de l'invention,
la figure 2 illustre un autre type d'antenne, comportant des éléments directeurs et réflecteurs en forme de barreaux diélectriques,
. la figure 3 illustre un autre mode de réalisation, partiellement en coupe, d'une antenne disposée à l'intérieur d'une coupole protectrice partiellement transparente à l'onde électromagnétique, et partiellement réflectrice.Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description below, made with reference to the accompanying drawings, in which
FIG. 1 schematically represents a dihedral type antenna produced according to the teachings of the invention,
FIG. 2 illustrates another type of antenna, comprising directional elements and reflectors in the form of dielectric bars,
. FIG. 3 illustrates another embodiment, partially in section, of an antenna arranged inside a protective dome partially transparent to the electromagnetic wave, and partially reflecting.
En référence à la figure 1, l'antenne selon l'invention est constituée essentiellement d'un dipôlel constitué de deux éléments (plaques ou barreaux céramique 2, alignés et disposés parallèlementà la oetposante E du champ électrique de l'onde électromagnétique (le trièdre illustré comprend le champ électrique E, le champ ma gnétique H, et le vecteur de Poynting R). Referring to Figure 1, the antenna according to the invention consists essentially of a dipole consisting of two elements (ceramic plates or bars 2, aligned and arranged parallel to the component E of the electric field of the electromagnetic wave (the trihedron illustrated includes the electric field E, the magnetic field H, and the Poynting vector R).
Les dlements sont réalisés en un matériau céramique de permittivité élevée à la fréquence considérée et à faibles pertes diélectriques. The elements are made of a ceramic material with high permittivity at the frequency considered and with low dielectric losses.
Un exemple de céramique utilisable est par exemple l'alumine ultra pure à 99,9 %, dont la constante diélectrique relative est de l'ordre de 9,6 pour des fréquences de quelques GHz, ou encore les céramiques à base de (2MgO+TiO2). An example of usable ceramic is for example 99.9% ultra pure alumina, the relative dielectric constant of which is of the order of 9.6 for frequencies of a few GHz, or even ceramics based on (2MgO + TiO2).
Par rapport à un élément métallique d'une antenne classique, la dimension de chacun des éléments diélectriques 2 peut être réduite dans un rapport \ soit, dans l'exemple cité, dans un rapport supé- r rieur à 3. Compared to a metallic element of a conventional antenna, the dimension of each of the dielectric elements 2 can be reduced in a ratio \ or, in the example cited, in a ratio greater than 3.
Les éléments sont pourvus chacun à leur extrémité proximale d'une métallisation 3 réalisée selon la technique classique (par exemple dépôt Ag-Pd à 85 %-15 %), de sorte que la tension induite par influence par le champ électrique dans l'élément puisse être recueillie aux bornes de celui-ci (en ce qui concerne l'extrémité distale, la fermeture du circuit se fait en fait de façon diffuse par l'atmosphère ambiante, et il n'est pas nécessaire de prévoir une métallisation à cet endroit pour y relier une connexion électrique). The elements are each provided at their proximal end with a metallization 3 produced according to the conventional technique (for example Ag-Pd deposit at 85% -15%), so that the voltage induced by influence by the electric field in the element can be collected at the terminals thereof (with regard to the distal end, the closure of the circuit is in fact diffused by the ambient atmosphere, and it is not necessary to provide a metallization at this location to connect an electrical connection).
Les deux métallisations sont reliées au récepteur par un câble coaxial 4 dont l'âme est reliée à la métallisation de l'un des éléments, et'la gaine, à celle de l'autre. The two metallizations are connected to the receiver by a coaxial cable 4, the core of which is connected to the metallization of one of the elements, and the sheath, to that of the other.
Le dipôle est par exemple supporté par un montant horizontal fixé à un mât vertical 5 supportant un réflecteur, qui permet de focaliser le champ électromagnétique sur le dipôle et d'éliminer les ondes stationnaires de l'environnement. The dipole is for example supported by a horizontal upright fixed to a vertical mast 5 supporting a reflector, which makes it possible to focus the electromagnetic field on the dipole and to eliminate standing waves from the environment.
Ce réflecteur peut par exemple être constitué par un dièdre 6 comportant deux faces 7, 8 constituées d'une plaque conductrice métallique ou métallisée, reliée électriquement au blindage du câble coaxial 4. Les dimensions des faces du dièdre et son ouverture a sont calculées selon les méthodes classiques, en fonction du diagramme de directivité recherché et de la bande de fréquences utile. This reflector can for example be constituted by a dihedral 6 comprising two faces 7, 8 made up of a metallic or metallized conductive plate, electrically connected to the shielding of the coaxial cable 4. The dimensions of the faces of the dihedral and its opening a are calculated according to the conventional methods, depending on the directional pattern sought and the useful frequency band.
L'ensemble est supporté par un socle 9, pour par exemple constituer une antenne intérieure de télévision pour la réception des programmes dans la bande 9. The assembly is supported by a base 9, for example to constitute an interior television antenna for the reception of programs in band 9.
Un autre exemple d'antenne est illustré figure 2 : le dipôle 10 y est identique au dipôle 1 de la figure 1, mais on a adjoint à celui-ci une série d'éléments directeurs 11, 12, 13 permettant d'accroître la directivité et le gain d'ensemble de l'antenne. Another example of an antenna is illustrated in FIG. 2: the dipole 10 is identical to the dipole 1 in FIG. 1, but a series of guiding elements 11, 12, 13 have been added thereto making it possible to increase the directivity. and the overall gain of the antenna.
Le réflecteur 14 peut par exemple être formé d'un réseau d'éléments diélectriques 15 comportant à chacune de leurs extrémités une métallisation soudée à un conducteur métallique 16, 17. Pour assurer la focalisation, le réseau réflecteur 14 a une forme générale de cylindre parabolique. The reflector 14 can for example be formed of a network of dielectric elements 15 comprising at each of their ends a metallization welded to a metallic conductor 16, 17. To ensure focusing, the reflective network 14 has a general shape of parabolic cylinder .
Il est également possible de remplacer le réseau 14 par une surface continue, équivalente, en matériau céramique de qualité adaptée à la fonction. It is also possible to replace the network 14 with a continuous, equivalent surface, of quality ceramic material suitable for the function.
Sur la figure 3 on a représenté une autre variante plus particulièrement destinée à une utilisation extérieure : à l'intérieur d'un radôme étanche 20, on a disposé une antenne selon l'invention comportant un élément pilote 21 et une pluralité d'éléments directeurs 22, 23, 24. A l'arrière de l'antenne, la paroi intérieure du radôme est pourvue d'une métallisation 25 formant réflecteur, reliée électriquement au blindage du câble coaxial de descente d'antenne. In FIG. 3 another variant is shown, more particularly intended for outdoor use: inside a waterproof radome 20, an antenna according to the invention has been arranged comprising a pilot element 21 and a plurality of guiding elements 22, 23, 24. At the rear of the antenna, the interior wall of the radome is provided with a metallization 25 forming a reflector, electrically connected to the shield of the coaxial cable for antenna descent.
Le radôme est par exemple réalisé en verre époxy, avec une forme circulaire en plan et elliptique en élévation ; il est pourvu à sa base d'un socle comportant des points de fixation 26, par exemple pour mise en place au sommet d'un toit, et en 27 d'un déflecteur de gouttes d'eau. The radome is for example made of epoxy glass, with a circular shape in plan and elliptical in elevation; it is provided at its base with a base comprising fixing points 26, for example for positioning at the top of a roof, and at 27 with a deflector of water drops.
De façon générale, on peut associer à l'élé- ment pilote constitué par le dipôle de l'invention tous les éléments annexes utilisés pour les antennes métalliques classiques, en fonction du diagramme de directivité et du gain de l'antenne ; les dimensions et les positions de ces éléments sont déterminées, de façon classique, en fractions choisies de la longueur d'onde à recevoir ou à émettre. A cet égard, on remarquera que la réduction dimensionnelle procurée par l'invention ne joue que pour la longueur des éléments réalisés en matériau céramique, mais que leur position relative n'est pas modifiée par rapport à une antenne conductrice classique ; toutes les techniques utilisées pour ces dernières sont donc parfaitement transposables sans difficulté. In general, it is possible to associate with the pilot element constituted by the dipole of the invention all the ancillary elements used for conventional metal antennas, as a function of the directivity diagram and of the gain of the antenna; the dimensions and the positions of these elements are determined, in a conventional manner, in selected fractions of the wavelength to receive or to transmit. In this regard, it will be noted that the dimensional reduction provided by the invention only acts for the length of the elements made of ceramic material, but that their relative position is not modified with respect to a conventional conductive antenna; all the techniques used for the latter are therefore perfectly transposable without difficulty.
La mise en oeuvre de l'ensemble est assurée par un réglage du R.O.S. (rapport d'ondes stationnaires) pour l'impédance d'utilisation à une valeur ROS * 1. The implementation of the assembly is ensured by adjusting the R.O.S. (standing wave ratio) for the impedance of use at a ROS value * 1.
Claims (6)
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