FR2597267A1 - HIGH EFFICIENCY ANTENNA - Google Patents
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Abstract
ANTENNE A HAUTE EFFICACITE COMPRENANT UN REFLECTEUR 11 CONSTITUE D'UN FOND 8 ET DE PAROIS 9 DE DIRECTION PERPENDICULAIRE A CE FOND ET DE FORME CYLINDRIQUE, A L'INTERIEUR DUQUEL EST DISPOSE UN DISPOSITIF RAYONNANT 10 DANS LA DIRECTION PERPENDICULAIRE A CE FOND. LE DISPOSITIF RAYONNANT 10 COMPREND AU MOINS UN FIL 21 ENROULE EN HELICE DE PART ET D'AUTRE DE L'AXE DE SYMETRIE DU REFLECTEUR, QUI EST L'AXE DE RAYONNEMENT D DUDIT DISPOSITIF, CHAQUE FIL ETANT COURT-CIRCUITE AU REFLECTEUR PAR SON EXTREMITE SITUE DU COTE DU FOND CE REFLECTEUR 11 ET ETANT ALIMENTE PAR SON AUTRE EXTREMITE. APPLICATION NOTAMMENT AU DOMAINE DES ANTENNES RESEAU.HIGH EFFICIENCY ANTENNA INCLUDING A REFLECTOR 11 CONSTITUTES A BOTTOM 8 AND WALLS 9 DIRECTION PERPENDICULAR TO THIS BOTTOM AND CYLINDRICAL SHAPE, INSIDE WHICH IS A RADIANT DEVICE 10 IN THE DIRECTION PERPENDICULAR TO THIS BOTTOM. THE RADIANT DEVICE 10 INCLUDES AT LEAST ONE WIRE 21 WOUND IN A HELICE ON EACH OTHER OF THE REFLECTOR'S SYMMETRY AXIS, WHICH IS THE RADIATION AXIS D OF THE SAID DEVICE, EACH WIRE SHORT CIRCUIT TO THE REFLECTOR BY ITS END LOCATED ON THE BOTTOM SIDE THIS REFLECTOR 11 AND BEING POWERED BY ITS OTHER END. APPLICATION IN PARTICULAR TO THE FIELD OF NETWORK ANTENNAS.
Description
Antenne à haute efficacité.High efficiency antenna.
La présente invention est relative à une antenne à haute efficacité. En matière d'éléments rayonnants à haute efficacité, on connaît la 5 source communément appelée "Short Backfire". Elle est constituée d'un dipole ou de deux dipoles (croisés s'il y en a deux) et d'un réflecteur cylindrique. Les performances de ce type d'antenne ont été étudiées par H.W. EHRENSPECK et sont décrites dans l'article "A New Class of Medium Size, High-efficiency Reflector Antennas" (IEEE Transactions on Anten10 nas and Propagation" de mars 1974). Ce document décrit un type d'antenne The present invention relates to a high efficiency antenna. In the field of high efficiency radiators, the source commonly referred to as "short backfire" is known. It consists of a dipole or two dipoles (crossed if there are two) and a cylindrical reflector. The performances of this type of antenna have been studied by HW EHRENSPECK and are described in the article "A New Class of Medium Size, High-efficiency Reflector Antennes" (IEEE Transactions on Antennas and Propagation "of March 1974). document describes a type of antenna
à réflecteur permettant un plus grand gain directif que ceux obtenus avec des antennes à réflecteur conventionnelles de même surface. Une antenne de ce type comprend un réflecteur de forme cylindrique et un système d'alimentation situé au centre de ce réflecteur. Une telle antenne est 15 analysée comme la combinaison de deux sources rayonnantes dont le rayonnement maximum et les relations de phase mutuelles peuvent être ajustés simplement pour obtenir un plus grand gain directif dans une direction perpendiculaire à la surface du fond du réflecteur. L'accroissement de gain directif est expliqué sur la base d'une extension virtuelle de 20 l'ouverture de rayonnement au delà des dimentions physiques du réflecteur. with a reflector allowing greater directional gain than those obtained with conventional reflector antennas of the same surface. An antenna of this type includes a cylindrical reflector and a power system located in the center of this reflector. Such an antenna is analyzed as the combination of two radiating sources whose maximum radiation and mutual phase relationships can be adjusted simply to obtain a greater directional gain in a direction perpendicular to the surface of the reflector bottom. The direction gain is explained on the basis of a virtual extension of the radiation aperture beyond the physical dimensions of the reflector.
L'auteur compare l'efficacité de ce type de source, au rendement théorique maximal d'une ouverture rayonnante de même dimension. Ce rendement est défini par rapport à Dmax (directivité maximale d'une ouver25 ture rayonnante) Dmax = 4A avec A: aire de la surface considérée The author compares the efficiency of this type of source with the maximum theoretical yield of a radiating aperture of the same size. This efficiency is defined with respect to Dmax (maximum directivity of a radiant aperture) Dmax = 4A with A: area of the surface considered
et: longueur d'onde.and: wavelength.
Pour certaines caractéristiques du réflecteur (Diamè30 tre d = 2.45 /\, hauteur h = 0.57,), la directivité mesurée est supérieure à la directivité maximale de l'ouverture rayonnante équivalente. For certain characteristics of the reflector (diameter d = 2.45 / 1, height h = 0.57), the measured directivity is greater than the maximum directivity of the equivalent radiating aperture.
Ce phénomène, selon les travaux précités, se reproduit pour des valeurs de diamètre: d 0.75 À Si on considère la valeur minimale du diamètre du réflecteur, 35 - 2 dmin, pour une antenne du type "Short Backfire", dmin doit être compatible avec l'encombrement du dipole: dmin > 0.75 X. Il y a donc incompatibilité entre les deux relations relatives au This phenomenon, according to the above works, is reproduced for diameter values: d 0.75 À If we consider the minimum value of the reflector diameter, 35 - 2 dmin, for a "Short Backfire" type antenna, dmin must be compatible with the congestion of the dipole: dmin> 0.75 X. There is thus incompatibility between the two relations relating to the
diamètre du réflecteur.diameter of the reflector.
L'invention a pour objet une structure permettant de profiter du phénomène avantageux qui apparait pour d <0,75, tout en ayant un diamètre de réflecteur d 0,7 X. L'invention propose à cet effet une antenne à haute efficacité comprenant un réflecteur constitué d'un fond et de parois de direction 10 perpendiculaires à ce fond et de forme cylindrique, à l'intérieur duquel est disposé un dispositif rayonnant dans la direction perpendiculaire à ce fond, caractérisé en ce que le dispositif rayonnant comprend au moins un fil enroulé en hélice de part et d'autre de l'axe de symétrie du réflecteur qui est l'axe de rayonnement dudit dispositif, chaque fil 15 étant court-circuité au réflecteur par son extrémité situé du c8té du The subject of the invention is a structure making it possible to take advantage of the advantageous phenomenon which appears for d <0.75, while having a reflector diameter of 0.7 X. The invention proposes for this purpose a high efficiency antenna comprising a reflector consisting of a bottom and walls of direction 10 perpendicular to this bottom and cylindrical in shape, inside which is disposed a device radiating in the direction perpendicular to this bottom, characterized in that the radiating device comprises at least one wire wound helically on either side of the axis of symmetry of the reflector which is the axis of radiation of said device, each wire 15 being short-circuited to the reflector by its end located on the side of the
fond de ce réflecteur et étant alimenté par son autre extrémité. bottom of this reflector and being powered by its other end.
Les avantages que possèdent la présente invention par rapport aux antennes du type "Short Backfire" sont les suivants: - Le diamètre du réflecteur n'est pas limité par l'encombrement du 20 dipole, - La directivité de l'élément rayonnant est modulable, contrairement à une antenne "Short Backfire" dont la directivité du dipole est constante. Plus précisément l'invention a pour objet une antenne dans 25 laquelle quatre câbles coaxiaux sont disposés à l'intérieur d'une hélice quadrifilaire, les âmes centrales des deux premiers câbles coaxiaux, qui sont des câbles d'alimentation, étant reliées par des premiers circuits métalliques aux âmes centrales des deux autres câbles coaxiaux, une plaque métallique disposée à une certaine distance de cette extrémité 30 permettant de relier les âmes centrales de ces deux derniers câbles coaxiaux et les conducteurs extérieurs des quatre câbles coaxiaux de telle manière que l'impédance présente en sortie des deux câbles d'alimentation soit 50, les parties extérieures par rapport au réflecteur de ces quatre câbles coaxiaux étant reliées aux quatre fils par l'inte35 - 3 The advantages that the present invention has over short-wave type antennas are as follows: the diameter of the reflector is not limited by the size of the dipole, the directivity of the radiating element is adjustable, unlike a "Short Backfire" antenna whose directivity of the dipole is constant. More precisely, the invention relates to an antenna in which four coaxial cables are arranged inside a quadrifilar helix, the central cores of the first two coaxial cables, which are power cables, being connected by first metal circuits to the central cores of the two other coaxial cables, a metal plate disposed at a distance from this end 30 for connecting the central cores of these last two coaxial cables and the outer conductors of the four coaxial cables so that the impedance at the output of the two power cables is 50, the outer parts relative to the reflector of these four coaxial cables being connected to the four son by the inte35 - 3
rmédiaire de quatre seconds circuits métalliques. four second metal circuits.
Avantageusement l'invention se rapporte à une antenne dans laquelle les premiers circuits métalliques sont réalisés par des couches métalliques disposées de part et d'autre d'un premier circuit imprimé, 5 les seconds circuits métalliques étant réalisés par des couches métalliques disposées sur une première face d'un second imprimé superposé par sa Advantageously, the invention relates to an antenna in which the first metal circuits are made by metal layers disposed on either side of a first printed circuit, the second metal circuits being made by metal layers arranged on a first face of a second printed matter superimposed by its
seconde face avec l'une des faces du premier circuit imprimé. second face with one of the faces of the first printed circuit.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront The features and advantages of the invention will emerge
d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limita10 tif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: Moreover, the following description, by way of nonlimiting example, with reference to the accompanying drawings in which:
- la figure 1 illustre une vue en perspective schématique d'une antenne selon l'invention, le réflecteur étant représenté en coupe; - la figure 2 illustre une vue partielle en perspective de la source rayonnante de l'invention; - la figure 3 illustre une vue en coupe selon le plan IIIIII de la - Figure 1 illustrates a schematic perspective view of an antenna according to the invention, the reflector being shown in section; FIG. 2 illustrates a partial perspective view of the radiating source of the invention; FIG. 3 illustrates a sectional view along plane IIIIII of FIG.
source rayonnante représentée à la figure 2. radiating source shown in Figure 2.
La présente invention se rapporte à un élément rayonnant, constitué d'une hélice quadrifilaire 10, placé dans un réflecteur 11 ayant un fond 8 et des parois 9 latérales de direction perpendiculaire à 20 ce fond et de forme cylindrique. Les dimensions du réflecteur 11 sont optimisées pour obtenir la superposition en phase, dans la direction de l'axe de rayonnement à, des composantes rayonnées par l'hélice 10 d'une The present invention relates to a radiating element, consisting of a quadrifilar helix 10, placed in a reflector 11 having a bottom 8 and side walls 9 of direction perpendicular to this bottom and of cylindrical shape. The dimensions of the reflector 11 are optimized to obtain the phase superposition, in the direction of the radiation axis, of the components radiated by the helix 10 of a
part, et par le bord supérieur 12 du réflecteur 11 d'autre part. part, and by the upper edge 12 of the reflector 11 on the other hand.
L'antenne selon l'invention comprend quatre câbles coaxiaux 13, 25 14, 15, 16 qui sont de directions parallèles à l'axe du rayonnement à. The antenna according to the invention comprises four coaxial cables 13, 14, 15, 16 which are in directions parallel to the axis of the radiation at.
Les âmes centrales 20 et 21 des deux premiers câbles coaxiaux 13, 14, qui sont des câbles d'alimentation, sont reliées par des circuits 24 et 25 aux âmes centrales 22 et 23 des câbles coaxiaux 15 et 16. Ces âmes centrales 22 et 23 sont court-circuitées aux conducteurs extérieurs des 30 câbles coaxiaux 13, 14, 15, 16 par une plaque métallique 26 à une distance e telle que l'impédance présentée en sortie des câbles The central cores 20 and 21 of the first two coaxial cables 13, 14, which are power cables, are connected by circuits 24 and 25 to the central cores 22 and 23 of the coaxial cables 15 and 16. These central cores 22 and 23 are short-circuited to the outer conductors of the coaxial cables 13, 14, 15, 16 by a metal plate 26 at a distance e such that the impedance presented at the output of the cables
coaxiaux 13 et 14 soit de 50-a.coaxial 13 and 14 is 50-a.
L'hélice quadrifilaire 10 est constituée de quatre brins rayonnants 27, 28, 29, 30 qui sont alimentés par le sommet; leur base 35 étant courtcircuitée au réflecteur 11, ce qui lui permet d'être _ 4 The quadrifilar helix 10 consists of four radiating strands 27, 28, 29, 30 which are fed from the top; their base 35 being shortcircuited to the reflector 11, which allows it to be 4
assimilée, en première analyse, à un dipole recourbé. assimilated, in first analysis, to a curved dipole.
Ces brins rayonnants 27, 28, 29 et 30 sont reliés aux conducteurs These radiating strands 27, 28, 29 and 30 are connected to the conductors
extérieurs des coaxiaux 13, 14, 15, 16 par les circuits 31, 32, 33, 34. external coaxial 13, 14, 15, 16 by the circuits 31, 32, 33, 34.
Ces brins rayonnants sont court-circuités au réflecteur 11 par l'inter5 médiaire d'une plaque 17. En fonction de la valeur du diamètre d du These radiating strands are short-circuited to the reflector 11 via a plate 17. Depending on the value of the diameter d of the
réflecteur, la hauteur h du réflecteur est optimisée. Reflector, the height h of the reflector is optimized.
Sur les figures 1, 2 et 3 les circuits 24, 25 qui permettent de In FIGS. 1, 2 and 3, the circuits 24, 25 which make it possible
relier les âmes centrales 20 et 21 des câbles 13 et 14 aux âmes 22 et 23 des câbles 15 et 16, sont représentés par des dépôts métalliques 10 effectués de part et d'autre d'un premier circuit imprimé 35; les circuits 31, 32, 33 et 34 qui permettent de relier les conducteurs extérieurs des câbles coaxiaux 13, 14, 15 et 16 aux brins rayonnants 27, 28, 29 et 30 sont des dépôts métalliques effectués sur une première face d'un deuxième circuit imprimé 36 dont la seconde face 15 est superposée à l'une des faces du premier circuit imprimé 35. connecting the central cores 20 and 21 of the cables 13 and 14 to the cores 22 and 23 of the cables 15 and 16, are represented by metal deposits 10 made on either side of a first printed circuit 35; the circuits 31, 32, 33 and 34 which make it possible to connect the outer conductors of the coaxial cables 13, 14, 15 and 16 to the radiating strands 27, 28, 29 and 30 are metal deposits carried out on a first face of a second circuit printed 36 whose second face 15 is superimposed on one of the faces of the first printed circuit 35.
Une telle antenne est principalement utilisée à des fréquences Such an antenna is mainly used at frequencies
inférieures à 4 GHz. Contrairement aux antennes de l'art connu, comportant un dipole situé à l'intérieur d'un réflecteur cylindrique dont la directivité est donnée, dans l'antenne selon l'invention on peut jouer, 20 à une fréquence donnée, sur le rapport diamètre/hauteur du réflecteur. below 4 GHz. Unlike antennas of the known art, comprising a dipole located inside a cylindrical reflector whose directivity is given, in the antenna according to the invention can be played, at a given frequency, on the diameter ratio / height of the reflector.
Dans le cas o l'on utilise l'antenne précitée comme élément rayonnant d'une antenne réseau un domaine de valeur du diamètre d est particulièrement intéressant. Elle est définie par la relation donnant In the case where the aforementioned antenna is used as the radiating element of a network antenna, a domain of value of the diameter d is particularly interesting. It is defined by the relationship giving
la distance inter-éléments L: 0.67 N. <L < 0.54. the inter-element distance L: 0.67 N. <L <0.54.
Pour ces valeurs, les lobes de réseaux n'apparaisent pas. Il en résulte une efficacité optimale de l'antenne. Mais la diminution de cette distance L contribue généralement à augmenter de manière importante le couplage entre éléments. Dans le cas de la présente invention, le critère de cohérence du rayonnement issu de l'hélice 10 30 d'une part, et du bord supérieur 12 du réflecteur 11 d'autre part, For these values, network lobes do not appear. This results in optimal efficiency of the antenna. But the decrease in this distance L generally contributes to significantly increase the coupling between elements. In the case of the present invention, the criterion of coherence of the radiation coming from the propeller 10 on the one hand, and from the upper edge 12 of the reflector 11 on the other hand,
corrèle la diminution de diamètre d, à une augmentation de la hauteur h du réflecteur 11, et donc améliore l'isolation directe entre éléments. correlates the decrease in diameter d, to an increase in the height h of the reflector 11, and thus improves the direct insulation between elements.
Avec une telle antenne réseau le critère d'optimisation est d'obtenir une directivité maximale dans l'axe du rayonnement. Mais ce critère 35 pourrait être d'obtenir un taux d'ellipticité maximal sur une couverture 5 With such a network antenna the optimization criterion is to obtain a maximum directivity in the radiation axis. But this criterion 35 could be to obtain a maximum ellipticity rate on a cover 5
donnée, par exemple avec une antenne multidirectionnelle. given, for example with a multidirectional antenna.
Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention. Ainsi l'élément rayonnant 10 peut être aussi bien une hélice composée d'un ou de plusieurs fils: monofilaire, bifilaire... Cette It is understood that the present invention has been described and shown only as a preferred example and that its constituent elements can be replaced by equivalent elements without departing from the scope of the invention. Thus, the radiating element 10 may be a helix composed of one or more wires: monofilar, two-wire, etc.
hélice peut également être de forme conique. Propeller can also be conical.
Claims (6)
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