FR2893188A1 - Antenne en helice miniaturisee pour utilisation grand public - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur la réalisation d'antennes directives miniaturisées, utilisables dans un contexte de télécommande grand public.Le principe général de l'invention est d'utiliser une antenne en hélice fonctionnant en mode axial et de réduire les dimensions de l'hélice eu utilisant simultanément plusieurs techniques dites d' « onde lente » (« slow wave » en anglais).Par rapport aux solutions précédentes, la présente invention apporte les avantages suivants :a) Dimensions particulièrement réduitesb) Grande simplicité et faible coût de fabrication

Description

ANTENNE EN HELICE MINIATURISEE POUR UTILISATION GRAND PUBLIC

La présente invention porte sur la réalisation d'antennes directives miniaturisées, utilisables dans un contexte de télécommande grand public, c'est à dire dans lequel les aspects dimensions, poids et coût sont autant ou plus importantes que les performances techniques pures. Les dispositifs pour le grand public utilisant des communications par radio (par exemple la transmission point à point d'images vidéo) ou qui sont radio-commandés à distance deviennent de plus en plus nombreux, et ces dispositifs utilisent diverses bandes de fréquences, allant de 27 Mégahertz (Mhz) jusqu'à 2,4 Gigahertz (Ghz) et au-delà.

Lorsque ces dispositifs présents en un même lieu sont nombreux, il est intéressant de disposer d'une liaison radio directionnelle qui permet soit d'aider l'utilisateur à sélectionner le dispositif qu'il souhaite commander, soit à améliorer la qualité d'une liaison radio point à point.

La mise en œuvre d'une liaison radio directionnelle suppose typiquement l'utilisation d'une antenne directionnelle sur le dispositif manipulé par l'utilisateur ou sur au moins une des extrémités d'une liaison radio point à point. La réalisation d'antennes directionnelles est un sujet bien connu et ne pose pas de problèmes techniques ; plusieurs types d'antennes directionnelles existent et sont bien connus et maîtrisés, par exemple : - les antennes à réflecteur (qui ont souvent une polarisation linéaire) - les antennes en hélice fonctionnant en mode axial (qui ont une polarisation circulaire) Dans le cadre d'une utilisation grand public avec une faible distance entre l'utilisateur et le dispositif commandé, il est intéressant de pouvoir disposer d'antennes directives qui possèdent l'ensemble des caractéristiques suivantes . a) performances techniques en termes de directivité et de gain adaptées à l'application considérée b) polarisation aussi proche que possible d'une polarisation circulaire, afin que l'orientation entre l'antenne objet de la présente invention et l'autre antenne utilisée pour la liaison radio soit aussi indifférente que possible c) dimensions et coût aussi réduits que possible d) très facile d'emploi dans l'environnement électronique usuel pour ce type de dispositifs On remarquera que : a) les besoins décrits ci-dessus sont différents de ceux pour une utilisation professionnelle, dans laquelle au contraire la performance technique maximum est requise b) la réduction de taille peut porter sur l'antenne elle-même aussi bien que sur les dimensions du plan de masse qui lui est associé c) lorsque la distance entre l'émetteur et le récepteur est faible, le gain absolu des antennes utilisées n'est pas forcément un point essentiel

La présente invention permet de réaliser des antennes possédant de telles caractéristiques, et cela dans une large gamme de fréquence et de manière aisée.

Par rapport aux solutions précédentes, la présente invention apporte les avantages suivants : a) Dimensions particulièrement réduites b) Grande simplicité et faible coût de fabrication c) Facilité d'utilisation dans les environnements techniques usuels PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va 10 suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en références aux figures annexées dans lesquelles :. La Figure 1 décrit une antenne conventionnelle en hélice fonctionnant en mode axial, ainsi que son diagramme de rayonnement. 15 La Figure 2 schématise les éléments principaux d'une antenne en hélice conventionnelle. La Figure 3 schématise le corps de l'hélice de l'antenne en hélice à onde lente de la Référence 2 (voir ci-après pour la définition de cette référence). 20 La Figure 4 et la Figure 5 décrivent le corps de l'hélice de l'antenne en hélice à onde lente de la Référence 3 (voir ci-après pour la définition de cette référence). La Figure 6 et la Figure 7 décrivent de manière schématique une vue de dessus des spires de l'hélice 25 primaire de l'antenne de la Référence 3 d'une part et d'une mise en œuvre de la présente invention d'autre part. La Figure 8 et la Figure 9 décrivent de manière schématique une vue en coupe des spires de l'hélice primaire de l'antenne de la Référence 3 d'une part et d'une mise en 30 œuvre de la présente invention d'autre part. La Figure 10 décrit une courbe typique du coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence pour l'antenne objet de la présente invention.5 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Sur les différentes figures, on a conservé les mêmes 5 références pour désigner des éléments identiques ou similaires. La Figure 1 décrit une antenne conventionnelle en hélice fonctionnant en mode axial, ainsi que les dimensions typiques en fonction de la longueur d'onde lambda (?), et 10 son diagramme de rayonnement. La Figure 2 schématise les éléments principaux d'une antenne en hélice conventionnelle : - le conducteur filaire (CO) - le point d'alimentation (PA) 15 - le plan de masse (PM) -l'axe (AX) de l'hélice, qui est aussi la direction dans laquelle l'hélice fonctionnant en mode axial émet une intensité maximum de rayonnement -trois spires (Sl), (S2) et (S3), les pointillés 20 indiquant les parties des spires se trouvant à l'arrière de l'hélice

La Figure 3 schématise le corps de l'hélice de l'antenne en hélice à onde lente de la Référence 2 (en 25 supposant le corps de l'hélice opaque) . -les spires de cette antenne à onde lente sont constituées par un ruban conducteur disposé à plat sur un cylindre contenant un conducteur relié à la masse de l'antenne 30 - quatre spires dune telle antenne sont représentées schématiquement par (SL1), (SL2), (SL3) et (SL4) La Figure 4 et la Figure 5 décrivent le corps de l'hélice de l'antenne en hélice à onde lente de la Référence 3 : - le point d'alimentation (PA) - le plan de masse (PM) - l'axe (AX) de l'hélice, qui est aussi la direction dans laquelle l'hélice fonctionnant en mode axial émet une intensité maximum de rayonnement - l'hélice primaire (HPR) de cette antenne en hélice à 10 onde lente, cette hélice primaire étant réalisée au moyen d'un conducteur filaire (CO)

La Figure 6 et la Figure 7 décrivent de manière schématique une vue de dessus des éléments suivants : 15 a) quatre spires adjacentes (SP1), (SP2), (SP3) et (SP4) de l'hélice primaire de l'antenne de la Référence 3, constituées simplement d'un conducteur filaire (CO) b) quatre spires adjacentes (SIl), (SI2), (SI3) et (SI4) d'une mise en œuvre de la présente invention 20 constituées d'un conducteur filaire (CO) entouré d'un isolant (IS)

La Figure 8 et la Figure 9 décrivent de manière schématique une vue en coupe des éléments suivants : 25 a) deux spires adjacentes (SPI) et (SP2) de l'hélice primaire de l'antenne de la Référence 3 constituées simplement d'un conducteur filaire (CO) b) deux spires adjacentes (SIl) et (SI2) d'une mise en oeuvre de la présente invention, constituées d'un 30 conducteur filaire (CO) entouré d'un isolant (IS) On constate sur ces figures que : - si l'isolant (IS) a une constante diélectrique appréciablement supérieure à celle de l'air - alors la capacité répartie existant entre les deux spires (SI1) et (SI2) est appréciablement supérieure à celle existant entre les spires (SPI) et (SP2)

La Figure 10 décrit une courbe typique du coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence pour l'antenne objet de la présente invention : -l'axe (FR) est celui des fréquences - l'axe (S11) est celui du coefficient de réflexion de l'antenne objet de la présente invention, selon les définitions classiques - les minima en (Rl), (R2) et (R3) indiquent des fréquences de résonance - l'intervalle (FU) est un intervalle de fréquences sans résonances, et en conséquence dans lequel il est possible (si d'autres conditions sont remplies) de faire fonctionner l'antenne en hélice en mode axial DESCRIPTION DU FONCTIONNEMENT DE L'INVENTION

A.1) LE PRINCIPE GENERAL DE L'INVENTION L'objectif de l'invention est de réaliser une antenne qui ait les caractéristiques suivantes : a) garder autant que possible des performances d'une antenne en hélice fonctionnant en mode axial avec un plan de masse associé en termes de . . gain . directivité . polarisation circulaire 30 b) tout en l'adaptant à un usage grand public, par exemple en permettant de l'incorporer dans une télécommande électronique de dimensions usuelles, notamment en raison des éléments suivants . . miniaturisation autant que possible de l'antenne et de son plan de masse . structure permettant une fabrication en grande série et à faible coût On remarquera que, par exemple pour une fréquence à 2,4 Ghz les dimensions recommandées pour une antenne en hélice de 4 tours fonctionnant en mode axial avec un plan de masse associé sont les suivantes : - circonférence extérieure de l'hélice de 12 cm environ, soit un diamètre de 4 cm environ - longueur de l'hélice de 10 cm environ -diamètre du plan de masse (en supposant celui-ci circulaire) de 6 à 8 cm Ces dimensions empêchent clairement de pouvoir disposer une telle antenne dans une télécommande électronique de dimensions usuelles. Pour une antenne fonctionnant à 432 Mhz, chacune des dimensions indiquées cidessus doit être multipliée par un rapport égal à (2,4 / 0,432), soit environ 5,5. On voit donc l'intérêt de pouvoir disposer d'antennes directives miniaturisées pour une utilisation à 432 Mhz.

Le principe général de l'invention est le suivant : a) utiliser une antenne en hélice fonctionnant en mode axial b) réduire les dimensions de l'hélice eu utilisant simultanément plusieurs techniques dites d' onde lente ( slow wave en anglais) . . remplacement du fil utilisé dans une antenne en hélice fonctionnant en mode axial conventionnel par une hélice primaire analogue à l'hélice utilisée dans un TOP (Tube à Ondes Progressives) . ajout de capacité distribuée à l'hélice primaire pour encore ralentir l'onde parcourant cette hélice primaire et obtenir une impédance satisfaisante pour l'antenne, par exemple en : > bobinant l'hélice primaire avec du fil isolé et avec des spires très rapprochées > bobinant l'hélice primaire le long d'un fil conducteur en hélice, ce fil conducteur étant connecté directement ou indirectement à la masse électrique de l'antenne > enroulant l'hélice primaire autour d'un mandrin contenant un conducteur, ce conducteur étant connecté directement ou indirectement à la masse électrique de l'antenne > enroulant l'hélice primaire le long d'une hélice filaire passive, cette hélice filaire passive étant connectée directement ou indirectement à la masse électrique de l'antenne c) lorsque l'antenne a un plan de masse associé, réduire la taille du plan de masse associé à l'antenne dans un facteur voisin du facteur de réduction de la circonférence extérieure de l'hélice A.2) LES NOTIONS PRINCIPALES DE L'INVENTION Les notions principales relatives au fonctionnement de l'invention sont les suivantes : a) La notion d'ondes radio haute fréquence b) Références utiles pour la présente invention c) L'antenne conventionnelle en hélice fonctionnant en mode axial d) L'antenne en hélice fonctionnant en onde lente A.2.1) La notion d'ondes radio haute fréquence Les antennes en hélice sont typiquement, mais pas uniquement, utilisées avec des ondes radio haute fréquence. Pour les ondes radio haute fréquence, on se limitera typiquement aux ondes radio dont la fréquence est supérieure à 144 Mhz (mégahertz), et on s'intéressera plus particulièrement aux bandes de fréquences utilisables sans licence préalable, telles que les fréquences à usage industriel, scientifique et médical (ISM), et réservée à une utilisation par des dispositifs dont les caractéristiques d'émission (et en particulier la puissance d'émission) sont réglementées. Ces bandes de fréquences sont en général voisines (mais pas identiques) entre l'Union Européenne, les USA et le Japon. On citera notamment les bandes de fréquences suivantes de type ISM dont l'utilisation est avantageuse dans le cadre de la présente invention : - 144 Mhz - 315 MHz, 418 à 433 Mhz - 868 et 915 Mhz - 2,4 Ghz (les standards IEEE 802, parmi lesquels 25 figurent les standards Bluetooth, Wifi et Zigbee, utilisent cette bande de fréquence de 2,4 Gigahertz) - 5 Ghz (ces bandes de fréquences sont déjà réservées pour un usage de type ISM, mais ne font pas encore l'objet d'utilisations largement diffusées) 30 On pourra aussi utiliser l'antenne objet de la présente invention pour d'autres utilisations, telles que la réception d'émissions de télévision, ou pour toute autre application utilisant des fréquences dans la gamme décrite ci-dessus. Des exemples seront donnés dans le présent document pour une fréquence de 2,4 Ghz. L'adaptation aux autres fréquences et à d'autres applications ne pose aucun problème à l'homme de l'art.

A.2.2) Références utiles pour la présente invention Les principales références utiles pour la présente invention sont les suivantes :

Référence 1. Le livre Antennas for all applications de John D. Kraus et Ronald J. Marhefka, qui en particulier décrit de manière détaillée les antennes en hélices et notamment celles fonctionnant en mode axial

Référence 2. L'article des IEEE Transactions on antennas and Propagation Vol 39 N 6 juin 1991 Study of an internally matched helical beam antenna Ce document décrit le principe général ainsi que la mise en oeuvre détaillée d'une antenne en hélice fonctionnant en mode axial dont les dimensions sont réduites grâce aux techniques d' onde lente , ces techniques étant mises en oeuvre au moyen d'inductances et de capacités réparties dont la valeur est calculée explicitement

Référence 3. The Spiro Helical Antenna qui est la thèse de Mastère en Sciences de Idine Ghoreishian auprès du Virginia Polytechnic Institute and State University et qui est disponible par Internet : - soit auprès du site http://scholar.lib.vt.edu/ theses/available/etd-120899-112725/ qui indique que l'accès au document est sans restriction et donne accès au document par téléchargement - soit comme résultat d'une requête auprès d'un moteur de recherche tel que Google (marque déposée) en utilisant comme critère de recherche la chaîne de caractères spiro helical antenna Ce document décrit le principe général ainsi que la mise en oeuvre détaillée d'une antenne en hélice fonctionnant en mode axial dont les dimensions sont réduites en remplaçant le conducteur filaire d'une hélice conventionnelle par une hélice primaire ; les limites de cette technique sont aussi mentionnées dans ce document, ainsi que d'autres techniques de réduction des dimensions d'une hélice conventionnelle.

Référence 4. L'article de Radioengineering Volume 10 No4, décembre 2001 intitulé Solenoid above ground plane - Equivalent circuit Ce document décrit une modélisation d'un solénoïde valable pour des fréquences de 45 Mhz à plus de 10 Ghz et la valide à partir de mesures concrètes. Le circuit équivalent résultant de la modélisation comporte notamment des capacités entre chaque spire du solénoïde.

Référence 5. L'article des IEEE Transactions on antennas and Propagation Vol 34 N 9 septembre 1986 Axial mode helical antennas Ce document décrit le principe général ainsi que la d'une antenne en hélice fonctionnant en mode axial ainsi que le principe de fonctionnement d'une telle modifiée par l'adjonction d'une hélice dite parasite , c'est à dire non alimentée, et qui constitue une hélice bifilaire avec l'hélice de l'hélice conventionnelle

Ces références contiennent elles-mêmes d'autres références qui peuvent utiles pour la présente invention.

A.2.3) L'antenne conventionnelle en hélice fonctionnant en mode axial A.2.3.1) Le principe général Une antenne conventionnelle en hélice fonctionnant en mode axial est alimentée par un signal transmis par une ligne bifilaire et se compose typiquement des éléments suivants . - un élément rayonnant constitué d'un fil bobiné en une hélice cylindrique d'axe (AX), dont le nombre de tours peut varier de 1 à plus de 10 et la circonférence extérieure (CX) est voisine de la longueur d'onde (LO) des fréquences utiles - un point d'alimentation (PA) situé à une extrémité de l'hélice, et connecté à une des extrémités de la ligne bifilaire - un plan de masse (PM) perpendiculaire à l'axe (AX), situé approximativement à la hauteur du point d'alimentation (PA), connecté à l'autre extrémité de la ligne bifilaire, de forme typiquement circulaire ou carrée, et dont le diamètre ou le côté est de l'ordre de la moitié de la longueur d'onde (LO) des fréquences utiles L'axe (AX) indiqué ci-dessus correspond à l'axe Y de la Figure 1.

Une telle antenne possède une directivité marquée et émet un faisceau d'ondes ayant un maximum dans la direction de l'axe (AX). Une antenne en hélice peut fonctionner dans d'autres modes que le mode axial, par exemple le mode normal. Toutefois, dans le présent document, la mention d'une antenne en hélice signifie toujours, sauf mention contraire antenne en hélice fonctionnant en mode axial .

A.2.3.2) Les autres types d'antennes en hélice fonctionnant en mode axial Diverses autres variantes existent pour des hélices conventionnelles, y compris des hélices : - sans plan de masse au sens strict (mais souvent 15 avec des équivalents ou des substituts, voir par exemple la Référence 1) -dont la section est en tout ou partie conique

Toutefois, la présentation ci-dessus reste valable, 20 avec les adaptations nécessaires que l'homme de l'art maîtrise. On notera que le rôle du plan de masse ou de son substitut est de limiter le rayonnement de l'antenne en hélice fonctionnant en mode axial au demi-espace contenant 25 l'antenne et de réduire le rayonnement émis vers l'arrière de l'antenne.

A.2.4) L'antenne en hélice fonctionnant en onde lente

30 A.2.4.1) Le principe général de l'hélice fonctionnant en onde lente La condition principale pour qu'une antenne en hélice fonctionne en mode axial est que la circonférence extérieure de l'hélice (pour un tour de l'hélice) soit approximativement égale à une longueur d'onde (LO) de la fréquence ou des fréquences utiles. Cette condition peut être remplie de plusieurs manières, telles que notamment : a) l'hélice est constituée d'un conducteur filaire (CO) approximativement linéaire et utilise de l'air comme 10 diélectrique (hélice filaire conventionnelle ; voir Figure 2) b) l'hélice est constituée de spires ayant une impédance et une capacité réparties bien définies, c'est à dire qui constituent une ligne de transmission ayant une 15 impédance et une vitesse de propagation de l'onde bine définies (hélice à onde lente de la Référence 2 ; voir Figure 3) c) l'hélice est constituée en remplaçant le conducteur filaire (CO) approximativement linéaire par un 20 conducteur filaire (CO) bobiné en une hélice primaire (HPR) utilisant de l'air comme diélectrique (hélice à onde lente de la Référence 3 ; voir Figures 4 et 5) Le fonctionnement en onde lente d'une antenne en hélice en mode axial est donc un phénomène général, qui ne 25 dépend pas de la technologie utilisée pour la mise en oeuvre de l'onde lente.

A.2.4.2) Exemple d'antenne en hélice fonctionnant en ondes longues selon la Référence 2 30 Dans l'antenne de la Référence 2, les spires (SLl), (SL2), ... de l'hélice sont constituées par une ligne de transmission ayant une inductance répartie par unité de longueur (L) et une capacité répartie par unité de longueur (C) bien définies et résultant des dimensions et du mode de fabrication de l'hélice. Dans ce cas et de manière très classique, la vitesse de propagation de l'onde le long des spires (SL1), (SL2),.. de l'hélice est : 1 / (LC) 1/2 et l'impédance de la ligne de transmission et de l'hélice est (L/C) 1/2 La Référence 2 montre qu'avec l'utilisation d'inductance et de capacité réparties : - il est possible d'obtenir des réductions de dimensions très importantes (une hélice fonctionnant à 130 Mhz mesure environ 10 cm de diamètre et 19 cm de long, soit des dimensions théoriques ramenées à 2,4 Ghz de 0,5 cm pour le diamètre et 1 cm pour la longueur) - au prix toutefois d'une bande passante de l'ordre de 10 % de la fréquence centrale (et donc réduite par rapport à celle d'une hélice en mode axial conventionnelle) et d'un gain maximal non spécifié

A.2.4.3) Exemple d'antenne en hélice fonctionnant en ondes longues selon la Référence 3 Dans la Référence 2, un fonctionnement on onde longue est supposé et constaté au vu des réductions de dimensions obtenues. Le fonctionnement en onde longue est obtenu en remplaçant le conducteur filaire approximativement linéaire d'une hélice conventionnelle par un conducteur filaire bobiné en une hélice primaire (HPR). Aucune valeur d'inductance ou de capacité répartie n'est indiquée.

La Référence 3 montre qu'avec l'utilisation dune hélice primaire (HPR) . -il est possible d'obtenir des réductions de dimensions significatives (une hélice fonctionnant à 2,4 Ghz mesure environ 2,6 cm de diamètre et 3,2 cm de long) - au prix toutefois d'une bande passante de l'ordre de 25 % de la fréquence centrale (et donc réduite par rapport à celle d'une hélice en mode axial conventionnelle) - au prix surtout d'une impédance d'entrée très élevée (partie imaginaire de l'impédance variant entre 1.500 et plus de 2.000 Ohms, ce qui est très différent d'une hélice conventionnelle fonctionnant en mode axial dans laquelle la partie imaginaire de l'impédance est en principe nulle), qui en rend l'utilisation concrète très difficile dans un environnement électronique usuel dans lequel : . les impédances attendues d'une antenne sont de l'ordre de 50 à 200 Ohms aux fréquences supérieures au gigahertz, les traces des circuits imprimés ont des impédances caractéristiques dont les valeurs sont comprises entre 20 et 200 Ohms - au prix enfin d'une certaine complexité de fabrication (l'hélice primaire (HPR) n'a pas de rigidité mécanique propre appréciable et doit être maintenue sur un support cylindrique)

A.2.4.4) Le principe général de l'hélice fonctionnant en onde lente selon la présente invention La présente invention utilise simultanément plusieurs techniques pour obtenir un fonctionnement en onde lente d'une hélice en mode axial : a) utilisation d'une hélice primaire (HPR) b) ajout d'inductance ou de capacité répartie à cette hélice primaire (HPR) pour rendre l'impédance voisine de celle d'une hélice conventionnelle fonctionnant en mode axial En particulier, on constate expérimentalement que l'ajout de capacité répartie à une hélice primaire (HPR) permet d'obtenir à la fois à 2,4 Ghz : a) une réduction de la circonférence extérieure de l'hélice par rapport à une antenne selon la Référence 3 (22 mm au lieu de 26 mm) b) une impédance d'entrée très voisine de celle d'une hélice conventionnelle fonctionnant en mode axial (partie réelle de 200 Ohms environ, partie imaginaire très faible, inférieure à 200 Ohms), ce qui rend l'utilisation de l'antenne selon l'invention très facile dans l'environnement technique usuel Un ajout de capacité répartie peut être obtenu notamment en utilisant au moins une des techniques suivantes : Cas 1) Bobinage de l'hélice primaire avec du fil isolé au moyen d'un diélectrique dont la constante diélectrique est significativement supérieure à celle de l'air, de préférence avec des spires jointives ou très rapprochées Cas 2) Bobinage de l'hélice primaire le long d'un fil conducteur en hélice, ce fil conducteur étant connecté directement ou indirectement à la masse électrique de l'antenne Cas 3) Enroulement de l'hélice primaire autour d'un mandrin contenant un conducteur, ce conducteur étant connecté directement ou indirectement à la masse électrique de l'antenne

Le Cas 1) ci-dessus est illustré par les Figures 8 et 9 : - la Figure 8 est une vue en coupe de deux spires adjacentes (SPI) et (SP2), avec de l'air comme diélectrique - la Figure 9 est une vue en coupe de deux spires adjacentes (SIl) et (SI2), avec comme diélectrique : . l'isolant (IS) du fil isolé utilisé pour bobiner l'hélice primaire (HPR) . l'air en dehors de l'isolant (IS) Les Figures 8 et 9 supposent les spires adjacentes rigoureusement parallèles. Pour une hélice primaire (HPR), les spires ne sont pas rigoureusement parallèles, mais la configuration précédente reste valable en première approximation. On constate sur ces Figures 8 et 9 que l'apport de capacité répartie est d'autant plus important que les spires adjacentes (SIl) et (SI2) sont rapprochées ; dans ce cas, en effet, l'air joue un rôle mineur par rapport à l'isolant (IS) comme diélectrique entre les spires adjacentes (SI1) et (SI2). On remarquera qu'un isolant typique de fil de câblage, par exemple du chlorure de polyvinyle (PVC), a une constante diélectrique de l'ordre de 3, qui est donc significativement supérieure à celle de l'air qui est de 1. On remarquera aussi que l'ajout d'un isolant usuel sur du fil métallique non isolé ne change pas la valeur de l'inductance répartie de l'hélice primaire (HPR).

A titre d'information complémentaire, la Référence 4 indique en quoi la capacité entre spires successives d'un solénoïde est importante pour bien modéliser le circuit équivalent de ce solénoïde à des fréquences supérieures au gigahertz.

Le Cas 2) ci-dessus est illustré par la Référence 2 : la capacité répartie existant entre les spires de l'hélice d'une part et la masse de l'antenne d'autre part doit être prise en compte pour le calcul de la vitesse de propagation le long de l'hélice. Un fil conducteur bobiné le long de l'hélice 10 primaire (HPR) et relié à la masse est à même d'apporter cette capacité complémentaire. Dans le cadre de la présente invention, seule une capacité répartie complémentaire est recherchée, par opposition à l'antenne décrite dans la Référence 2 pour 15 laquelle la capacité répartie entre les spires de l'antenne et la masse était la seule capacité répartie disponible.

La Cas 3) ci-dessus est une variante du Cas 2) décrit ci-dessus : le conducteur relié à la masse est à 20 l'intérieur de l'hélice primaire (HPR) au lieu d'être le long de cette hélice primaire (HPR).

L'antenne objet de la présente invention peut donc être définie comme une antenne en hélice à onde lente 25 fonctionnant en mode axial caractérisée en ce que le phénomène d'onde lente est obtenu en utilisant conjointement les deux techniques suivantes : a) Remplacement du conducteur filaire d'une hélice conventionnelle par une hélice primaire (HPR); 30 b) Ajout de capacité distribuée à cette hélice primaire (HPR).

Par ailleurs, selon la présente invention, l'ajout de capacité distribuée à l'hélice primaire (HPR) est obtenue par au moins l'une des méthodes suivantes : a) Bobinage de l'hélice primaire avec du fil isolé au moyen d'un diélectrique dont la constante diélectrique est significativement supérieure à celle de l'air ; b) Bobinage de l'hélice primaire le long d'un fil conducteur en hélice, ce fil conducteur étant connecté directement ou indirectement à la masse électrique de l'antenne ; c) Enroulement de l'hélice primaire autour d'un mandrin contenant un conducteur, ce conducteur étant connecté directement ou indirectement à la masse électrique de l'antenne.

Enfin, selon la présente invention, lorsque l'hélice primaire est bobinée avec du fil isolé, elle est bobinée de préférence avec des spires très rapprochées.

A.2.4.5) Les possibilités de réduction de la taille de l'antenne selon la présente invention

Dans les cas présentés ci-dessus, les dimensions de l'hélice sontinférieures à celles dune hélice conventionnelle, avec toutefois des objectifs différents : a) dans le cas de l'antenne de la Référence 2, l'objectif est de réduire à l'extrême les dimensions, quitte à atteindre des limites ou des restrictions en termes de bande passante ou de gain b) dans le cas de l'antenne de la Référence 3, l'objectif est de réduire les dimensions tout en gardant des performances aussi proches que possible d'une hélice conventionnelle ; des restrictions importantes sont toutefois atteintes en termes d'impédance d'entrée Dans le cas de la présente invention, l'objectif est intermédiaire entre les deux exemples mentionnés ci-dessus : a) un fonctionnement avec une bande de fréquences aussi large que celle de l'antenne de la Référence 3 n'est pas demandé ; à titre d'exemple : . la largeur de la bande de fréquences ISM à 2,4 Ghz est de l'ordre de 3,4 % . une bande de fréquence utile de l'ordre de 5 à 6 % suffit donc pour une partie appréciable des applications envisagées b) des réductions de dimensions plus importantes que celles de l'antenne de la Référence 3 sont souhaitées, sans toutefois atteindre celles de la Référence 2

A.2.4.6) Les possibilités de réduction de la taille du plan de masse selon la présente invention La dimension recommandée d'un plan de masse supposé circulaire pour une antenne en hélice conventionnelle fonctionnant en mode axial est de 75 % de la longueur d'onde des fréquences utiles s'il est plan ou un peu moins s'il s'agit d'une cavité. Une réduction de la taille du plan de masse se traduit par une détérioration du rapport (RFB) entre les intensités reçues le long de l'axe (AX) dans le sens de l'axe (AX) (angle de 00) les intensités reçues le long de l'axe (AX) dans le sens opposé à l'axe (AX) (angle de 180 ). Si une réduction importante de la taille du plan de masse est importante, il est possible de compenser en tout ou partie la détérioration du rapport (RFB) en utilisant au moins une des techniques suivantes : - utilisation de matériau absorbant les ondes provenant de l'arrière de l'antenne - utilisation d'un deuxième plan de masse à l'arrière de l'antenne A.2.4.7) Le dimensionnement d'une antenne selon la présente invention Une précaution doit être prise lors du dimensionnement d'une antenne selon la présente invention, en particulier lorsque cette antenne est très miniaturisée : - sans précautions particulières, il peut exister des résonances dans la gamme de fréquences de travail souhaitées - ces résonances empêchent toutefois l'hélice de fonctionner comme une antenne selon la présente invention ; par exemple, au voisinage d'une résonance, la polarisation est linéaire et l'effet de directivité est modifié ou disparaît. Une telle situation est illustrée par la Figure 10, la bande de fréquences utiles (FU) se situe en dehors et de préférence éloignée des résonances qui existent dans l'antenne, résonances qui peuvent être détectées à l'aide d'un analyseur de réseau, tel que le HP8410 ou le HP8510. Par ailleurs, l'utilisation d'un simulateur en 3 dimensions tel que Ansoft Hfss (marques déposées) permet d'obtenir des dimensionnements et des structures qui évitent ces résonances.

METHODES DE MISE EN OEUVRE B.1) LES VARIANTES DE MISE EN îUVRE30 23 B.1.1) Les principales variantes de l'invention Les variantes dans la mise en oeuvre de l'invention dépendent principalement des éléments suivants : a) le nombre de tours de l'hélice b) la méthode d'ajout de la capacité distribuée c) la fabrication de l'antenne selon la présente invention

B.1.2) Le nombre de tours de l'hélice 10 Comme pour les antennes conventionnelles en hélice fonctionnant en mode axial, il n'y a pas de limitation particulière due au nombre de tours. Pour obtenir une directivité appréciable, il est en revanche utile d'utiliser au moins 3 tours pour l'hélice. 15 B.1.3) La méthode d'ajout de la capacité distribuée Différentes méthodes pour ajouter de la capacité distribuée ont été examinées, et peuvent être utilisées conjointement. Leur mise en ouvre ne pose pas de problème à 20 l'homme de l'art.

B.1.4) La fabrication de l'antenne selon la présente invention

25 Dans le cadre d'une utilisation grand public, par exemple dans une télécommande, l'antenne doit être physiquement protégée de l'utilisateur. Cette protection pourra par exemple être réalisée en entourant l'antenne d'une surface constituée par un matériau 30 diélectrique.

24 Pour faciliter la fabrication de l'antenne selon la présente invention, cette surface pourra contribuer à maintenir mécaniquement de manière rigide l'antenne. Par exemple : - l'antenne pourra avoir une circonférence extérieure cylindrique et la surface une circonférence intérieure cylindrique égale à la circonférence extérieure de l'antenne. - la surface sera fixée rigidement par rapport au 10 plan de masse (PM) de l'antenne et au point d'alimentation (PA) de l'antenne Dans ce cas, l'antenne sera maintenue rigidement par la surface. Dans le cas d'une antenne dont l'hélice primaire (HPR) est bobinée avec du fil isolé et avec des spires très 15 proches ou jointives, la rigidité mécanique de la structure constituée par l'hélice primaire (HPR) s'appuyant sur la surface est suffisante pour un usage grand public, et il suffira de fixer de manière rigide à la surface l'extrémité de l'antenne opposée au point d'alimentation (PA) pour 20 disposer de manière simple et économique d'une antenne dont la rigidité est adaptée à un usage grand public.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Antenne en hélice à onde lente fonctionnant en mode axial caractérisée en ce que le phénomène d'onde lente 5 est obtenu en utilisant conjointement les deux techniques suivantes . a) Remplacement du conducteur filaire d'une hélice conventionnelle par une hélice primaire (HPR); b) Ajout de capacité distribuée à cette hélice 10 primaire (HPR).

2. Antenne en hélice selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'ajout de capacité distribuée à l'hélice primaire (HPR) est obtenue par au moins l'une des 15 méthodes suivantes . a) Bobinage de l'hélice primaire avec du fil isolé au moyen d'un diélectrique dont la constante diélectrique est significativement supérieure à celle de l'air ; b) Bobinage de l'hélice primaire le long d'un fil 20 conducteur en hélice, ce fil conducteur étant connecté directement ou indirectement à la masse électrique de l'antenne ; c) Enroulement de l'hélice primaire autour d'un mandrin contenant un conducteur, ce conducteur étant 25 connecté directement ou indirectement à la masse électrique de l'antenne.

3. Antenne en hélice selon la revendication 2 dans laquelle l'hélice primaire est bobinée avec du fil isolé et 30 des spires très rapprochées.26

4. Antenne en hélice selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle l'hélice de l'antenne est entourée par une surface en matériau diélectrique.

5. Antenne en hélice selon la revendication 4 dans laquelle la surface en matériau diélectrique contribue à maintenir mécaniquement de manière rigide l'antenne.