FR3040110A1

FR3040110A1 - MULTIFUNCTION WIDE BAND SECTORAL ANTENNA

Info

Publication number: FR3040110A1
Application number: FR1501733A
Authority: FR
Inventors: William Hubert; David Saintier; Meins Cyrille Le
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2017-02-17
Anticipated expiration: 2035-08-14
Also published as: WO2017029122A1; EP3335277A1; EP3335277B1; FR3040110B1; SG11201803953SA

Abstract

L'invention concerne 1 une antenne sectorielle (1) ayant une hauteur H, une profondeur D, une largeur W, comportant un premier plan de masse (2) agissant comme plan réflecteur, au moins un ensemble antennaire comprenant au moins un premier brin (101) et au moins un deuxième brin (102), l'antenne fonctionnant dans une gamme de fréquences [f1, f2], caractérisée en ce que • Un brin (101, 102) a une forme repliée, une courbure intérieure F1 partant d'un point A positionné vers le centre de l'antenne O, une courbure extérieure F2 située dans le prolongement de la première courbure intérieure F1, • La courbure intérieure F1 est déterminée afin de garantir la stabilité du diagramme de rayonnement à la fréquence maximale de fonctionnement de l'antenne, • La courbure extérieure F2 est déterminée afin de garantir la stabilité de l'impédance que présente l'antenne à ses bornes d'alimentation, à la fréquence minimale de fonctionnement, • Le premier brin (101) et le deuxième brin (102) sont alimentés en opposition de phase.The invention relates to a sectorial antenna (1) having a height H, a depth D, a width W, having a first ground plane (2) acting as a reflecting plane, at least one antenna assembly comprising at least a first strand ( 101) and at least one second strand (102), the antenna operating in a frequency range [f1, f2], characterized in that • A strand (101, 102) has a folded shape, an internal curvature F1 extending from a point A positioned towards the center of the antenna O, an external curvature F2 located in the extension of the first internal curvature F1, the internal curvature F1 is determined in order to guarantee the stability of the radiation pattern at the maximum frequency of operation of the antenna, • The external curvature F2 is determined in order to ensure the stability of the impedance of the antenna at its power supply terminals at the minimum operating frequency. • The first strand (101) and the second strand (102) are energized in phase opposition.

Description

ANTENNE SECTORIELLE LARGE BANDE MULTIFONCTIONS L’invention concerne notamment une antenne très haute fréquence/ultra haute fréquence, VHF/UHF, large bande à rayonnement sectorielle. Elle concerne de manière plus générale, le domaine des antennes et systèmes d’antennes par mise en réseau, pour l’émission avec des puissances de quelques dizaines à quelques centaines de Watts, par exemple, et la réception dans les bandes VHF/UHF d’ondes électromagnétiques polarisées linéairement.The invention particularly relates to a very high frequency / ultra high frequency antenna, VHF / UHF antenna, broadband with sectorial radiation. It relates more generally, the field of antennas and antenna systems by networking, for transmission with powers of a few tens to a few hundred Watts, for example, and the reception in the VHF / UHF bands of linearly polarized electromagnetic waves.

Pour certaines applications, l’utilisation d’antennes doit répondre à des besoins d’intégration sur une structure porteuse et à la possibilité de réaliser des antennes et des réseaux d’antennes pouvant être utilisés pour plusieurs fonctions. Le premier axe suppose un maintien des performances en rayonnement et en impédance des antennes après intégration sur des structures porteuses complexes. Ces structures peuvent être des bâtiments de surface (application navale), des véhicules terrestres ou des aéronefs. Par ailleurs, ce maintien des performances doit s’opérer sur une largeur de bande très importante (une demi-décade voire une décade). Le second axe est lié à l’aspect multifonctions demandé par les utilisateurs. Le nombre toujours croissant de fonctions intégrées sur les porteurs s’accompagne d’une augmentation du nombre d’antennes à intégrer à leur structure. Cette intégration difficile au regard de contraintes mécaniques, de performances et de compatibilité électromagnétique peut être résolue en mutualisant les éléments rayonnants. En revanche, cette mise en commun pose le problème de l’unification des exigences héritées des différents systèmes auxquels les antennes et les réseaux d’antennes participent.For some applications, the use of antennas must meet the needs of integration on a carrier structure and the possibility of making antennas and antenna networks that can be used for several functions. The first axis assumes a maintenance of the radiation and impedance performance of the antennas after integration on complex carrier structures. These structures may be surface vessels (naval application), land vehicles or aircraft. Moreover, this performance maintenance must take place over a very large bandwidth (half a decade or even a decade). The second axis is related to the multifunction aspect requested by the users. The ever-increasing number of integrated carrier functions is accompanied by an increase in the number of antennas to be integrated into their structure. This difficult integration with regard to mechanical constraints, performance and electromagnetic compatibility can be solved by pooling the radiating elements. On the other hand, this pooling raises the problem of the unification of the requirements inherited from the various systems to which the antennas and the antenna networks participate.

De nombreux articles traitants d’antennes dipolaires ultra large bande peuvent être cités. Lorsqu’il s’agit de modifier cette architecture simple pour l’intégrer à proximité d’un plan de masse (la structure) tout en conservant des propriétés de rayonnement satisfaisantes et une adaptation d’impédance permettant une utilisation sur une très large bande de fréquence, le corpus disponible est déjà plus limité. En la matière, la demande de brevet FR 3011685 décrit une antenne dipôle-boucle. Avec des dimensions globales de 1x1m pour une hauteur de 0,25m, elle est utilisable sur une bande allant de 100 MHz à 500 MHz, via un circuit d’adaptation d’impédance. Elle peut également être mise en réseau circulaire. L’antenne de Rhode et Schwartz référencée AD066FW décrit aussi une structure de réseau d’antennes large bande utilisables entre 118 MHz et 453 MHz pour des fonctions de communications améliorées grâce à un système de formation de faisceaux.Many articles dealing with ultra wide band dipole antennas can be cited. When it comes to modifying this simple architecture to integrate it close to a ground plane (the structure) while maintaining satisfactory radiation properties and impedance matching allowing use on a very wide band of frequency, the available corpus is already more limited. In this regard, patent application FR 3011685 describes a dipole-loop antenna. With global dimensions of 1x1m for a height of 0.25m, it can be used over a band from 100 MHz to 500 MHz, via an impedance matching circuit. It can also be placed in a circular network. The Rhode and Schwartz antenna referenced AD066FW also describes a broadband antenna array structure usable between 118 MHz and 453 MHz for enhanced communications functions through a beamforming system.

Une autre forme d’antenne est décrite dans la publication intitulée « The Self-Grounded Bow-Tie Antenna » de J. Yang et A. Kishk, IEEE AP-S/URSI 2011. Conçue pour fonctionner entre 2 GHz et 15 GHz, elle tire avantageusement parti d’un repliement en court-circuit des brins du dipôle pour : - Elargir la bande de fréquence d’utilisation, - Arborer un profil d’antenne plus connue sous le nom d’antenne « Vivaldi » qui limite les phénomènes de feuilletage lorsque l’antenne est électriquement grande.Another form of antenna is described in J. Yang and A. Kishk's "The Self-Grounded Bow-Tie Antenna", an IEEE AP-S / URSI 2011. Designed to operate between 2 GHz and 15 GHz, it is advantageously takes advantage of a short-circuiting of the dipole strands to: - widen the band of frequency of use, - sport an antenna profile better known under the name of antenna "Vivaldi" which limits the phenomena of lamination when the antenna is electrically large.

Toutefois, avec une fréquence minimale de 2 GHz pour des dimensions 54(L)x58(l)x24 (h) mm, une transposition en fréquence dès 100 MHz montre que cette solution ne convient pas vis à vis d’applications envisagées pour la présente invention.However, with a minimum frequency of 2 GHz for dimensions 54 (L) × 58 (1) × 24 (h) mm, a transposition in frequency from 100 MHz shows that this solution is not suitable for applications envisaged for the present invention. invention.

Malgré tous les avantages offerts par les solutions de l’art antérieur, ces dernières offrent certains inconvénients du fait de leur conception et de leur encombrement qui nuisent aux capacités d’intégration et de mise en réseau. Lorsque l’encombrement est contenu, le rapport d’onde stationnaire plus connu sous l’abréviation ROS et les gains résultants ne permettent plus de satisfaire aux exigences de qualité de service. Lorsque l’encombrement est trop important, l’association en réseau permettant d’obtenir une voie omnidirectionnelle n’est pas évidente. Par ailleurs, l’antenne dipôle-boucle du brevet précité nécessite un circuit d’adaptation d’impédance additionnel pouvant limiter la tenue en puissance pour certaines applications.Despite all the advantages offered by the solutions of the prior art, the latter have certain drawbacks because of their design and their size that adversely affect the integration and networking capabilities. When the congestion is contained, the stationary wave ratio better known under the abbreviation ROS and the resulting gains no longer meet the quality of service requirements. When the congestion is too important, the network association to obtain an omnidirectional path is not obvious. Furthermore, the dipole-loop antenna of the aforementioned patent requires an additional impedance matching circuit that can limit power handling for certain applications.

En résumé, les solutions décrites dans l’art antérieur et connues du demandeur ne permettent pas notamment d’avoir simultanément : i · Un ROS inférieur à 3 et un gain supérieur à 2 dBi, dans la direction principale d’émission/réception, sur toute la bande de fréquence souhaitée pour l’antenne seule, • Une stabilité du diagramme de rayonnement, sans phénomène de feuilletage, • Une hauteur optimisée (inférieure ou égale à 1 mètre) et une largeur réduite (inférieure ou égale à 40 cm) pour faciliter son intégration et sa mise en réseau (circulaire ou autres), • Une profondeur restreinte (inférieure ou égale à 25 cm) pour s’intégrer facilement à la structure, • Une nature auto-adaptée sur une impédance donnée, par exemple 50Ω, ne nécessitant pas un circuit d’adaptation d’impédance rapporté. L’objet de la présente invention est de proposer une antenne pouvant être mise en réseau, qui permet notamment d’être facilement intégrable dans un emplacement donné et qui présente une stabilité dans le diagramme de fonctionnement. L’invention concerne une antenne sectorielle ayant une hauteur H, une profondeur D, une largeur W, comportant un plan de masse agissant comme plan réflecteur, au moins un ensemble antennaire comprenant au moins un premier brin et au moins un deuxième brin, l’antenne fonctionnant dans une gamme de fréquences [fi, f2], caractérisée en ce que • Un brin a une forme repliée, une courbure intérieure Fi, partant d’un point A, A’ positionné vers le centre de l’antenne O, une courbure extérieure F2, F’2i située dans le prolongement de la première courbure intérieure Fi, F’i, • La forme de la courbure intérieure Fi, F’-i, est déterminée afin de garantir la stabilité du diagramme de rayonnement à la fréquence maximale de fonctionnement de l’antenne, • La forme de la courbure extérieure F2, F’2, est déterminée afin de garantir la stabilité de l’impédance que présente l’antenne à ses bornes d’alimentation, à la fréquence minimale de fonctionnement, • Le premier brin et le deuxième brin sont alimentés en opposition de phase.In summary, the solutions described in the prior art and known to the applicant do not allow in particular to have simultaneously: i · A ROS less than 3 and a gain greater than 2 dBi, in the main direction of transmission / reception, on the entire desired frequency band for the antenna alone, • a stability of the radiation pattern, without lamination phenomenon, • an optimized height (less than or equal to 1 meter) and a reduced width (less than or equal to 40 cm) for facilitate its integration and its networking (circular or other), • A restricted depth (less than or equal to 25 cm) to integrate easily into the structure, • A self-adapted nature on a given impedance, for example 50Ω, not requiring a reported impedance matching circuit. The object of the present invention is to provide a networkable antenna, which in particular allows to be easily integrated in a given location and which has a stability in the operating diagram. The invention relates to a sectorial antenna having a height H, a depth D, a width W, comprising a ground plane acting as a reflecting plane, at least one antenna assembly comprising at least a first strand and at least a second strand, the Antenna operating in a frequency range [f1, f2], characterized in that • A strand has a folded shape, an internal curvature Fi, from a point A, A 'positioned towards the center of the antenna O, a external curvature F2, F'2i located in the extension of the first internal curvature Fi, F'i, • The shape of the internal curvature Fi, F'-i, is determined in order to guarantee the stability of the radiation pattern at the frequency maximum operating frequency of the antenna, • The shape of the external curvature F2, F'2, is determined in order to guarantee the stability of the impedance that the antenna presents at its power supply terminals, at the minimum operating frequency • The first and second strands are energized in phase opposition.

Selon une variante de réalisation l’antenne sectorielle selon l’invention est caractérisée en ce que : • Un brin a une forme repliée, une courbure intérieure Fi, F’i, partant d’un point A, A’ positionné vers le centre de l’antenne 0, une courbure extérieure F2, F’2, située dans le prolongement de la première courbure intérieure Fi, F’i, la forme d’un brin vue de face correspond à l’intersection d’une première ellipse Ei ayant un premier rayon Ri correspondant au grand axe et un deuxième rayon R2 correspondant au petit axe, avec une deuxième ellipse E2 ayant un premier rayon R2 correspondant au grand axe sensiblement identique au rayon du petit axe de la première ellipse, et un deuxième rayon R3, la valeur de R2 est choisie en fonction de la largeur de l’antenne, le rapport R1/R3 est choisi afin d’optimiser les transitions au niveau de l’alimentation de l’antenne et du repliement terminal du brin, • La courbure intérieure F1, F’1t est déterminée afin de garantir la stabilité du diagramme de rayonnement à la fréquence maximale de fonctionnement de l’antenne, • La courbure extérieure F2, F’2j est déterminée afin de garantir la stabilité de l’impédance que présente l’antenne à ses accès, à la fréquence minimale de fonctionnement, • Le premier brin et le deuxième brin sont alimentés en opposition de phase.According to an alternative embodiment, the sectorial antenna according to the invention is characterized in that: • A strand has a folded shape, an internal curvature Fi, F'i, starting from a point A, A 'positioned towards the center of the antenna 0, an external curvature F2, F'2 situated in the extension of the first internal curvature Fi, F'i, the shape of a strand seen from the front corresponds to the intersection of a first ellipse Ei having a first radius Ri corresponding to the major axis and a second radius R2 corresponding to the minor axis, with a second ellipse E2 having a first radius R2 corresponding to the major axis substantially identical to the radius of the minor axis of the first ellipse, and a second radius R3, the value of R2 is chosen according to the width of the antenna, the ratio R1 / R3 is chosen in order to optimize the transitions at the level of the antenna supply and the terminal folding of the strand, • The internal curvature F1, F'1t is determined in order to guarantee the stability of the radiation pattern at the maximum operating frequency of the antenna, the external curvature F2, F'2j is determined in order to guarantee the stability of the impedance that the antenna has at its access, at the minimum operating frequency, • The first and second strands are energized in phase opposition.

La forme d’un brin est, par exemple, caractérisée de la manière suivante :The shape of a strand is, for example, characterized in the following manner:

Soit les coordonnées cartésiennes de trois points A, B et C, A-B appartenant à la courbure intérieure F-i, B-C appartenant à la courbure extérieure F2, le i point origine 0 du repère cartésien correspondant au centre du plan de masse,Let the Cartesian coordinates of three points A, B and C, A-B belonging to the inner curvature F-1, B-C belonging to the outer curvature F2, the i origin point 0 of the Cartesian coordinate system corresponding to the center of the ground plane,

La courbe intérieure F1 d’un brin est définie parThe inner curve F1 of a strand is defined by

La courbe extérieure F2 d’un brin est définie parThe outer curve F2 of a strand is defined by

XA, xb, xc, za, zb, Zc, sont les coordonnées des points A, B et C dans un repère cartésien et ci et c2 sont deux paramètres de courbure.XA, xb, xc, za, zb, Zc, are the coordinates of the points A, B and C in a cartesian coordinate system and ci and c2 are two curvature parameters.

Les paramètres d’une antenne sont définis tels que, pour une plage de fréquences de fonctionnement [fi, f2] et une fréquence centrale fo: D est compris dans l’intervalle [λο/5, λ0/3] H est sensiblement égal à λο, W est compris dans l’intervalle [λ0/3, λ0/2], R3 est compris entre 0.6*Ri et 0.8*R-| R2 « W/2.The parameters of an antenna are defined such that, for an operating frequency range [f1, f2] and a center frequency fo: D is in the range [λο / 5, λ0 / 3] H is substantially equal to λο, W is in the range [λ0 / 3, λ0 / 2], R3 is between 0.6 * Ri and 0.8 * R- | R2 "W / 2.

Selon une variante de réalisation, la profondeur de l’antenne D est choisie sensiblement égale au quart de la longueur d’onde λο, la hauteur H de l’antenne est sensiblement égale à la longueur d’onde λ0, la largeur W de l’antenne est sensiblement égale à 2* λο/5. L’antenne sectorielle est par exemple caractérisée en ce que : • Le plan de masse comporte deux repliements formant deux toits capacitifs, • Le premier brin elliptique et le deuxième brin elliptique sont repliés au centre de l’antenne vers le plan de masse, • Une première extrémité du premier brin se trouve au niveau d’un premier point A à proximité du plan de masse et une première extrémité du deuxième brin est au niveau d’un deuxième point A’ à proximité du plan de masse, • Une deuxième extrémité du premier brin et une deuxième extrémité du deuxième brin se positionnent respectivement à deux points C, C’ correspondant à un point dont la cote est telle que zc est sensiblement égale à 0.48 λ0, • R1+R3 est égale à zc-zA, • R2 est sensiblement égale à W/2. L’antenne sectorielle selon l’invention peut comporter plusieurs ensembles composés chacun de deux brins ayant une forme elliptique. L’alimentation de l’antenne est, par exemple, réalisée via des moyens de connexion alimentés en opposition de phase grâce à un Balun ou un coupleur hybride 0/180°. L’antenne peut comporter au moins deux connecteurs RF choisis en fonction de la plage de fréquences de fonctionnement de l’antenne et de la tenue en puissance désirée, les connecteurs sont alimentés en opposition de phase. L’antenne sectorielle fonctionne à une fréquence appartenant au domaine VHF/UHF avec pour l’émission des puissances de quelques dizaines à quelques centaines de Watts et une réception dans les bandes VHF/UHF d’ondes électromagnétiques polarisées linéairement.According to an alternative embodiment, the depth of the antenna D is chosen to be substantially equal to a quarter of the wavelength λ 0, the height H of the antenna is substantially equal to the wavelength λ 0, the width W of the antenna antenna is substantially equal to 2 * λο / 5. The sectoral antenna is for example characterized in that: • The ground plane comprises two folds forming two capacitive roofs, • The first elliptical strand and the second elliptical strand are folded in the center of the antenna towards the ground plane, • A first end of the first strand is at a first point A near the ground plane and a first end of the second strand is at a second point A 'near the ground plane, • A second end the first strand and a second end of the second strand are respectively positioned at two points C, C 'corresponding to a point whose dimension is such that zc is substantially equal to 0.48 λ0, • R1 + R3 is equal to zc-zA, • R2 is substantially equal to W / 2. The sectoral antenna according to the invention may comprise several sets each composed of two strands having an elliptical shape. The antenna power supply is, for example, carried out via connection means supplied in phase opposition thanks to a Balun or a 0/180 ° hybrid coupler. The antenna may comprise at least two RF connectors selected according to the operating frequency range of the antenna and the desired power handling, the connectors are energized in phase opposition. The sectoral antenna operates at a frequency belonging to the VHF / UHF domain with the emission of power from a few tens to a few hundred Watts and a reception in the VHF / UHF bands of linearly polarized electromagnetic waves.

Selon une variante de réalisation, l’antenne sectorielle selon l’invention est adaptée pour une intégration dans un équipement mobile ou une infrastructure fixe. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d’un exemple de réalisation annexée des figures qui représentent : • La figure 1, une vue en 3D d’un exemple d’antenne selon l’invention, • La figure 2, une vue de profil de l’antenne de la figure 1, • La figure 3, un schéma permettant d’expliquer la forme spécifique des brins de l’antenne, • La figure 4, des diagrammes de rayonnement dans le plan vertical de l’antenne à différentes fréquences, • La figure 5, une représentation d’un gain de l’antenne dans la direction principale d’émission en fonction de la fréquence, et • La figure 6, un ROS de l’antenne en fonction de la fréquence.According to an alternative embodiment, the sectoral antenna according to the invention is suitable for integration into mobile equipment or fixed infrastructure. Other features and advantages of the present invention will become more apparent on reading the following description of an attached exemplary embodiment of the figures which represent: FIG. 1, a 3D view of an example of an antenna according to FIG. Figure 2 is a side view of the antenna of Figure 1; Figure 3 is a diagram for explaining the specific shape of the antenna strands; Figure 4 is diagrams of radiation in the vertical plane of the antenna at different frequencies, • Figure 5, a representation of an antenna gain in the main direction of transmission as a function of frequency, and • Figure 6, a ROS of the antenna as a function of frequency.

Avant d’expliciter un exemple de réalisation d’une antenne selon l’invention, le demandeur pose les définitions suivantes : • fi : la fréquence minimale de fonctionnement en Hz, • f2 : la fréquence maximale de fonctionnement en Hz, • fo : la fréquence centrale de fonctionnement en Hz et telle que f0 = (fi+f2)/2, • soit λχ la longueur d’onde (en mètre) associée à la fréquence fx et telle que λχ = c/fx avec c la vitesse de propagation des ondes (en m/s), x étant un indice générique correspondant aux indices 0, 1, 2 des fréquences, • Les points A, B et C (figure 2) qui vont permettre de définir le profil d’un brin sont repérés par un système de coordonnées cartésiennes dans le repère orthonormé direct X, Y et Z tel que l’origine est au centre de l’antenne, X pointe vers l’avant de l’antenne (soit la direction principale d’émission) et Z vers le haut.Before explaining an exemplary embodiment of an antenna according to the invention, the applicant sets the following definitions: • fi: the minimum frequency of operation in Hz, • f2: the maximum frequency of operation in Hz, • fo: the central frequency of operation in Hz and such that f0 = (fi + f2) / 2, • is λχ the wavelength (in meters) associated with the frequency fx and such that λχ = c / fx with c the speed of propagation waves (in m / s), x being a generic index corresponding to the indices 0, 1, 2 of the frequencies, • The points A, B and C (figure 2) which will make it possible to define the profile of a strand are spotted by a Cartesian coordinate system in the direct orthonormal coordinate system X, Y and Z such that the origin is in the center of the antenna, X points towards the front of the antenna (ie the main direction of emission) and Z to the top.

Les cotes générales de l’antenne sont les suivantes : • Le premier paramètre D déterminé est la profondeur de l’antenne choisi tel que D est compris dans l’intervalle [λ0/5, λ0/3], de préférence D « λ0/4. Ce paramètre définit par la même occasion xB (l’abscisse du point B selon la figure 2), soit xB = D. • Le deuxième paramètre H fixé est la hauteur de l’antenne choisie telle que H est sensiblement égal ou égal à λο, • Enfin, pour atteindre les exigences de fonctionnement à la fréquence minimale, la largeur W de l’antenne est choisie telle que W est i comprise entre λ0/3 et λ0/2, avec de préférence W « 2* λ0/5.The general dimensions of the antenna are the following: • The first parameter D determined is the depth of the antenna chosen such that D is in the interval [λ0 / 5, λ0 / 3], preferably D "λ0 / 4. This parameter defines at the same time xB (the abscissa of point B according to FIG. 2), ie xB = D. • The second fixed parameter H is the height of the chosen antenna such that H is substantially equal to or equal to λο Finally, to achieve the operating requirements at the minimum frequency, the width W of the antenna is chosen such that W is i between λ0 / 3 and λ0 / 2, with preferably W "2 * λ0 / 5.

La figure 1, schématise une vue en trois dimensions d’un exemple d’antenne 1 selon l’invention qui va être détaillée en utilisant la figure 2. L’antenne 1 est composée d’un premier brin elliptique 101 et d’un deuxième brin elliptique 102, les deux brins elliptiques étant repliés vers un plan de masse 2 au centre O de l’antenne 1, une première extrémité 101a (figure 2) du premier brin se trouvant au niveau d’un premier point A (χα,Ζα) situé à proximité du plan de masse et une première extrémité 102a du deuxième brin 102 étant au niveau d’un deuxième point Α’(χ’α,ζ’α) situé à proximité du plan de masse 2. Une deuxième extrémité 101b du premier brin et une deuxième extrémité 102b du deuxième brin se positionnent à deux points points C, C’ dont les cotes sont données par rapport au plan de masse comme il sera explicité un peu plus loin. L’antenne 1 est enserrée par un premier repliement et un deuxième repliement perpendiculaires du plan de masse, plus connus sous l’expression « pseudo toits capacitifs », 31, 32.FIG. 1 schematizes a three-dimensional view of an example of antenna 1 according to the invention which will be detailed using FIG. 2. The antenna 1 is composed of a first elliptical strand 101 and a second elliptical strand 102, the two elliptical strands being folded towards a ground plane 2 at the center O of the antenna 1, a first end 101a (FIG. 2) of the first strand being at a first point A (χα, Ζα ) located near the ground plane and a first end 102a of the second strand 102 being at a second point Α '(χ'α, ζ'α) located near the ground plane 2. A second end 101b of first strand and a second end 102b of the second strand are positioned at two points C, C 'whose dimensions are given with respect to the ground plane as will be explained a little further. The antenna 1 is enclosed by a first perpendicular folding and second folding of the ground plane, better known under the term "pseudo capacitive roofs", 31, 32.

Les deux brins 101,102 ont dans cet exemple une forme elliptique et sont disposés de manière symétrique par rapport à un axe Ox. Les deux brins sont alimentés en opposition de phase par deux moyens de connexion 30, 30’ grâce à un BALUN ou un coupleur hybride 07180° connus de l’homme du métier. Les moyens de connexion 30, 30’ peuvent être des connecteurs RF ou tout autre type de connexion adaptée connue de l’homme du métier en fonction de la fréquence et de la tenue en puissance.The two strands 101, 102 have in this example an elliptical shape and are arranged symmetrically with respect to an axis Ox. The two strands are powered in phase opposition by two connection means 30, 30 'thanks to a BALUN or hybrid coupler 07180 ° known to those skilled in the art. The connection means 30, 30 'may be RF connectors or any other type of suitable connection known to those skilled in the art depending on the frequency and power handling.

La figure 2 et la figure 3 permettent d’illustrer la définition et la forme des brins en utilisant une représentation d’ellipse. La vue de face des brins est générée par l’intersection d’une première ellipse Ei qui possède un premier rayon Ri pour le grand axe et un deuxième rayon R2 pour le petit axe, avec une deuxième ellipse E2 possédant un même rayon R2 pour le grand axe et le rayon R3 pour le petit axe. L’intersection I des deux ellipses E1 et E2 est représentée en trait plus épais sur la figure 3.Figure 2 and Figure 3 illustrate the definition and shape of the strands using an ellipse representation. The front view of the strands is generated by the intersection of a first ellipse Ei which has a first radius Ri for the major axis and a second radius R2 for the minor axis, with a second ellipse E2 having the same radius R2 for the long axis and radius R3 for the minor axis. The intersection I of the two ellipses E1 and E2 is shown in thicker lines in FIG.

La figure 2, représente dans un système de coordonnées cartésiennes où le point origine O correspond au point milieu de l’antenne, le i profil des brins. Chaque brin a une forme constituée d’une première courbe F1 (A-B), F’1 (A’-B’), dite courbure intérieure par rapport au centre O de l’antenne, suivie d’une deuxième courbe F2 (B-C), F’2 (B’-C’) ou courbure extérieure. Les deux brins ont une forme sensiblement identique et symétrique par rapport à l’axe OX, de manière plus générale par rapport à un i axe perpendiculaire à l’antenne et passant par le centre O.Figure 2 shows in a Cartesian coordinate system where the origin point O corresponds to the midpoint of the antenna, the profile of the strands. Each strand has a shape consisting of a first curve F1 (AB), F'1 (A'-B '), called inner curvature with respect to the center O of the antenna, followed by a second curve F2 (BC) , F'2 (B'-C ') or external curvature. The two strands have a substantially identical shape and symmetrical with respect to the axis OX, more generally with respect to an axis perpendicular to the antenna and passing through the center O.

Les différents paramètres permettant de générer les brins de l’antenne sont définis par la figure 2 et la figure 3 : • Vu de face ou projeté dans le plan yOz, un brin rayonnant est engendré par l’intersection de deux ellipses partageant le même rayon transversal R2, ce dernier fixant la largeur totale de l’antenne. Ensuite, le ratio R1/R3 est choisi pour optimiser les transitions au niveau de l’alimentation et du repliement terminal du brin. • Vu de profil, la courbure du brin vers le plan de masse est définie par les points A, B, C et par les équations des courbes F1 et F2. La partieThe different parameters for generating the antenna strands are defined in Figure 2 and Figure 3: • Seen from front or projected in the yOz plane, a radiating strand is generated by the intersection of two ellipses sharing the same radius transverse R2, the latter fixing the total width of the antenna. Then, the ratio R1 / R3 is chosen to optimize the transitions at the level of the feed and the terminal folding of the strand. • Seen in profile, the curvature of the strand towards the ground plane is defined by the points A, B, C and by the equations of the curves F1 and F2. The part

i inférieure de l’intersection des deux ellipses est ensuite fixée en A (point d’alimentation du brin) puis passe par B et C.The lower of the intersection of the two ellipses is then fixed at A (feed point of the strand) then goes through B and C.

Soit les coordonnées cartésiennes des point A, B et C, telles que :Let the Cartesian coordinates of points A, B and C, such as:

Les équations des courbes sont données par deux paramètres de i courbure supplémentaires : Ci et c2. L’équation de F1 est telle que :The equations of the curves are given by two additional curvature parameters: Ci and c2. The equation of F1 is such that:

De même, l’équation de F2 est telle que :Similarly, the equation of F2 is such that:

Le deuxième brin est ensuite généré par symétrie d’axe X, les formules précédentes s’appliquent pour les points référencés A’, B’ et C’ sur la figure 2.The second strand is then generated by X-axis symmetry, the preceding formulas apply for the points referenced A ', B' and C 'in FIG.

Pour définir le motif des brins vus de face on va, par exemple, utiliser les paramètres suivants : • Tout d’abord, les coordonnées des points A, A’ sont ajustées au moyen de simulations électromagnétiques et en fonction des contraintes d’intégration des moyens de connexion 30, 30’. Par exemple, pour la bande 100-500 MHz, l’abscisse Xa, Xa\ est environ égale à 5 mm et la cote za, zA\ est environ égale à 5 mm pareillement. Toutefois, pour des applications à plus hautes fréquences, ces coordonnées peuvent être réduites. Les valeurs des cotes seront choisies notamment en fonction de la bande de fréquence de fonctionnement, • Pour améliorer l’adaptation d’impédance, la structure qui accueille l’antenne est constituée de deux repliements du plan de masse, en haut et en bas lorsque l’on considère l’antenne dans une position verticale comme il est représenté à la figure 1. La proximité de l’extrémité des brins avec ces toits capacitifs 31, 32 est déterminée par la cote du point C, soit zç telle que zc = γ* λ0 » 0,48* λ0, • Des définitions précédentes, on en déduit que R1+R3 = Zc - zA, • Suite à une optimisation en simulation électromagnétique, on détermine également R3 dans l’intervalle [0,6‘Ri, 0,8*Ri] avec R3 « 0,7*R1, • Enfin, R2 « W/2.To define the pattern of the strands seen from the front we will, for example, use the following parameters: • First, the coordinates of the points A, A 'are adjusted by means of electromagnetic simulations and according to the integration constraints of the connection means 30, 30 '. For example, for the band 100-500 MHz, the abscissa Xa, Xa \ is approximately equal to 5 mm and the dimension za, zA \ is approximately equal to 5 mm similarly. However, for higher frequency applications, these coordinates can be reduced. The values of the dimensions will be chosen in particular according to the frequency band of operation, • To improve the impedance matching, the structure which hosts the antenna consists of two folds of the ground plane, at the top and at the bottom when the antenna is considered in a vertical position as shown in FIG. 1. The proximity of the end of the strands to these capacitive roofs 31, 32 is determined by the dimension of the point C, ie zc such that zc = γ * λ0 »0.48 * λ0, • From the previous definitions, we deduce that R1 + R3 = Zc - zA, • Following an optimization in electromagnetic simulation, we also determine R3 in the interval [0.6'Ri , 0.8 * Ri] with R3 "0.7 * R1, • Finally, R2" W / 2.

Une façon d’obtenir la courbure des brins est décrite ci-après et en relation avec la figure 2: • Les brins sont courbés dans le plan contenant les vecteurs X et Z (axe ΟΧ, OZ) selon deux fonctions exponentielles F^ (F1’) et F2 (F2’), • La jonction entre ces deux fonctions est paramétrée par la cote du point B (point B’) déterminée par optimisation en simulation électromagnétique, soit zB environ égal à 1/3 λ0, • La courbure intérieure des brins correspondant à la partie de la courbe ; allant de A à B (A’ à B’) est générée par la fonction de type exponentielle (F’i) qui reçoit en paramètres les coordonnées des points A et B ainsi qu’un paramètre de courbure Ci, tel que Ci varie de -20/ λο à -15/ λ0, de préférence Ci « -18/ λ0, par exemple. Cette courbure sert à garantir la stabilité du diagramme de rayonnement à la i fréquence maximale. • La courbure extérieure des brins correspondant à la partie B-C (B’-C’) est générée par la fonction de type exponentielle F2, (F’2) qui reçoit en paramètres les coordonnées des points B et C (B’ et C’) ainsi qu’un paramètre de courbure C2, tel que c2 « 30/ λ0, par exemple. Cette courbure sert à garantir la stabilité de l’impédance que présente l’antenne à ses bornes à la fréquence minimale.One way of obtaining the curvature of the strands is described below and in relation with FIG. 2: • The strands are bent in the plane containing the vectors X and Z (axis ΟΧ, OZ) according to two exponential functions F ^ (F1 ') and F2 (F2'), • The junction between these two functions is parameterized by the point B (point B ') determined by optimization in electromagnetic simulation, ie zB approximately equal to 1/3 λ0, • The internal curvature strands corresponding to the part of the curve; A to B (A 'to B') is generated by the exponential type function (F'i) which receives as parameters the coordinates of points A and B and a curvature parameter Ci, such that Ci varies from -20 / λ 0 to -15 / λ 0, preferably C 1 -18 / λ 0, for example. This curvature serves to guarantee the stability of the radiation pattern at the maximum frequency. • The outer curvature of the strands corresponding to the BC part (B'-C ') is generated by the exponential type function F2, (F'2) which receives as parameters the coordinates of the points B and C (B' and C ' ) and a curvature parameter C2, such as c2 "30 / λ0, for example. This curvature serves to guarantee the stability of the impedance that the antenna presents at its terminals at the minimum frequency.

Les paramètres de courbure ci et c2 sont définis par simulation électromagnétique en utilisant des outils de simulation connus de l’homme du métier, par exemple une méthode rigoureuse de simulation électromagnétique connue sous l’expression anglo-saxonne «full-wave method ». Tous les paramètres peuvent être ajustés pour optimiser les performances.The curvature parameters ci and c2 are defined by electromagnetic simulation using simulation tools known to those skilled in the art, for example a rigorous method of electromagnetic simulation known as the "full-wave method". All parameters can be adjusted to optimize performance.

In fine, l’antenne proposée arbore donc une bande passante (ou plage de fonctionnement) en fréquence de 5 :1 avec un rapport d’onde stationnaire (ROS) inférieur à 3. L’exemple qui suit est un exemple chiffré donné pour une antenne Ultra Large Bande, pour une bande d’utilisation allant de 100 MHz à 500 MHz les dimensions de l’antenne sont : • Hauteur (H) : 1 mètre, • Largeur (W) : 0,4 mètre, • Profondeur (D) : 0,25 mètre, • L’espacement entre les deux points d’alimentation A-A’ est de 1 cm.In fine, the proposed antenna therefore sports a bandwidth (or operating range) in frequency of 5: 1 with a stationary wave ratio (ROS) of less than 3. The following example is a given example for a given Ultra Wide Band antenna, for a band of use ranging from 100 MHz to 500 MHz the dimensions of the antenna are: • Height (H): 1 meter, • Width (W): 0.4 meter, • Depth (D ): 0.25 meters, • The spacing between the two feed points A-A 'is 1 cm.

Le repliement vers le centre permet de donner un profil d’antenne Vivaldi qui canalise le rayonnement à haute fréquence pour minimiser les phénomènes de feuilletage sur le rayonnement dans le plan vertical de i l’antenne comme il est illustré sur la figure 4 pour une bande d’utilisation allant de 100 MHz à 500 MHz . L’ajout des repliements perpendiculaires vers les brins permet de minimiser l’encombrement tout en maintenant un gain dans la direction principale d’émission supérieur à 2 dBi sur toute la bande, comme il est représenté à la figure 5 traçant le gain de l’antenne dans la direction principale d’émission en fonction de la fréquence de travail.The refolding towards the center makes it possible to give a Vivaldi antenna profile which channels the high frequency radiation to minimize the phenomena of lamination on the radiation in the vertical plane of the antenna as illustrated in FIG. from 100 MHz to 500 MHz. The addition of perpendicular folds to the strands minimizes bulk while maintaining a gain in the main direction of transmission greater than 2 dBi over the entire band, as shown in Figure 5 plotting the gain of the antenna in the main direction of transmission according to the working frequency.

La figure 6 schématise le ROS de l’antenne en fonction de la fréquence par rapport à une impédance caractéristique de 50Ω. Avec l’alimentation en deux points permettant de diminuer l’impédance que présente l’antenne à ses bornes, la solution proposée permet d’éviter le recours à un circuit d’adaptation d’impédance. L’antenne est alors auto-adaptée avec un ROS inférieur à 2,5 par rapport à une impédance caractéristique de 50Ω.Figure 6 shows the ROS of the antenna as a function of frequency with respect to a characteristic impedance of 50Ω. With the two-point power supply making it possible to reduce the impedance that the antenna has at its terminals, the proposed solution makes it possible to avoid the use of an impedance matching circuit. The antenna is then self-adapted with an ROS of less than 2.5 with respect to a characteristic impedance of 50Ω.

Par son rayonnement sectoriel, la solution proposée permet de privilégier une direction de l’espace et renforce ainsi son gain par rapport à une solution à base d’antennes omnidirectionnelles. L’association en réseau de cette solution permet d’envelopper la structure porteuse pour mieux faire abstraction de celle-ci. Globalement, cette caractéristique autorise une utilisation pour des communications V/UHF. Enfin, son caractère Ultra Large Bande associé en réseau permet d’envisager une utilisation du type radiogoniométrie. D’une manière générale, l’antenne peut être réalisée en métal conducteur (Cuivre, Aluminium, ...) ou en matériau composite (Carbone,...). L’antenne selon l’invention peut facilement être intégrée sur un équipement mobile, tel qu’un navire, en surface d’une paroi ou au niveau d’un mât équipant un véhicule ou encore une infrastructure terrestre. Une seule antenne alimentée arbore un rayonnement sectoriel tout en minimisant l’impact de la structure sur le fonctionnement de l’antenne.By its sectoral influence, the proposed solution allows to privilege a direction of the space and thus strengthens its gain compared to a solution based on omnidirectional antennas. The network association of this solution allows to wrap the carrier structure to better disregard it. Overall, this feature allows use for V / UHF communications. Finally, its network-associated Ultra Wide Band character makes it possible to envisage a use of the direction-finding type. In general, the antenna can be made of conductive metal (copper, aluminum, ...) or composite material (carbon, ...). The antenna according to the invention can easily be integrated on mobile equipment, such as a ship, on the surface of a wall or at a mast fitted to a vehicle or a terrestrial infrastructure. A single powered antenna sports a sectoral radiation while minimizing the impact of the structure on the operation of the antenna.

Sans sortir du cadre de l’invention, la description des étapes pour définir une forme de brins d’antennes s’applique pour des brins non elliptiques tels que d’autres formes Ultra Large Bande connues de l’homme de métier.Without departing from the scope of the invention, the description of the steps for defining a shape of antenna strands applies for non-elliptical strands such as other Ultra Wide Band shapes known to those skilled in the art.

La forme de l’antenne selon l’invention permet d’optimiser l’occupation de l’espace disponible pour améliorer le gain et l’adaptation d’impédance. En effet, la forme elliptique des brins permet de contribuer au caractère ultra large bande de l’antenne.The shape of the antenna according to the invention makes it possible to optimize the occupation of the available space to improve the gain and the impedance matching. Indeed, the elliptical shape of the strands makes it possible to contribute to the ultra-broadband character of the antenna.

Les antennes selon l’invention permettent notamment une intégration des antennes et réseaux d’antennes sur une structure porteuse, l’utilisation dans plusieurs fonctions.The antennas according to the invention notably allow integration of antennas and antenna arrays on a carrier structure, the use in several functions.

Les avantages de la solution proposée sont : - un diagramme de rayonnement sectoriel stable en fonction de la fréquence, - une conception auto-adaptée, c.à.d. sans circuit d’adaptation d’impédance, - une intégration sur structure facilitée par son profil étroit (largeur et épaisseur réduites), - une mise en réseau circulaire aisée pour obtenir une couverture omnidirectionnelle en azimut, - une exploitation pour des fonctions de communications (émission et réception), de radiogoniométrie ou de contrôle du spectre grâce à ses performances, - Une forme simple permettant une transposition dans d’autres bandes de fréquences (VHF, UHF et SHF) et pouvant être conformée.The advantages of the proposed solution are: - a stable sectorial radiation diagram according to the frequency, - a self-adapted design, ie without impedance matching circuit, - structure integration facilitated by its narrow profile (reduced width and thickness), - easy circular networking to achieve omni-directional azimuth coverage, - operation for communication functions ( transmission and reception), direction-finding or spectrum monitoring thanks to its performance, - A simple form allowing transposition in other frequency bands (VHF, UHF and SHF) and can be conformed.

Claims

Sectorial antenna (1) having a height H, a depth D, a width W, having a first ground plane (2) acting as a reflecting plane, at least one antenna assembly comprising at least a first strand (101) and at least one least one second strand (102), the antenna operating in a frequency range [f 1, f 2], characterized in that • A strand (101, 102) has a folded shape, an inner curvature F1, F'1 starting from a point A, A 'positioned towards the center of the antenna O, an external curvature F2, F'2 located in the extension of the first internal curvature Fi, F'i, • The inner curvature F1, F'1 is determined in order to guarantee the stability of the radiation pattern at the maximum operating frequency of the antenna, • The external curvature F2, F'2 is determined in order to guarantee the stability of the impedance that the antenna has at its terminals. at the minimum operating frequency t, • The first strand (101) and the second strand (102) are energized in phase opposition.

2 - sectoral antenna according to claim 1 characterized in that: • A strand (101, 102) has a folded shape, an inner curvature F1, F1 'from a point A, A', positioned towards the center of the O antenna, an external curvature F2, F'2 located in the extension of the first inner curvature Fi, F'1, the shape of a strand seen from the front corresponds to the intersection of a first ellipse E1 having a first radius Ri corresponding to the major axis and a second radius R2 corresponding to the minor axis, with a second ellipse E2 having a first radius R2 corresponding to the major axis substantially identical to the radius of the minor axis of the first ellipse, and a second radius R3, the value of R2 is chosen according to the width of the antenna, the ratio R1 / R3 is chosen in order to optimize the transitions at the level of the antenna supply and the terminal folding of the strand, • The internal curvature Fi, F 'i is determined in order to gar to prevent the stability of the radiation pattern at the maximum operating frequency of the antenna, • The external curvature F2, F'2 is determined in order to guarantee the stability of the impedance that the antenna has at its access, at the frequency • The first strand (101) and the second strand (102) are energized in phase opposition.

3 - sectorial antenna according to claim 2 wherein the shape of a strand is characterized as follows: Let the Cartesian coordinates of three points A, B and C, AB belonging to the inner curvature Fi, F'-i, BC belonging at the outer curvature F2, F'2i the origin point 0 of the Cartesian coordinate system corresponding to the center of the ground plane,

The inner curve Fi of a strand is defined by:

The outer curve F2 of a strand is defined by:

xa, xb, Xc, za, Zb, zc, are the coordinates of the points A, B and C in a cartesian coordinate system, Ci and c2 are two curvature parameters.

4- sectoral antenna according to one of claims 2 or 3 characterized in that the parameters of an antenna are such that for an operating frequency range [f1, f2] and a central frequency f0: D is included in the interval [λ0 / 5, λο / 3], H is substantially equal to λο, W is in the range [λο / 3, λο / 2], R3 is between 0.6 * Ri and 0.8 * Ri, R2 * W / 2, ci -20 / λ0 to -15 / λ0 and c2 "30 / λ0.

5 - Sectoral antenna according to claim 4 characterized in that the depth of the antenna D is substantially equal to one quarter of the wavelength λ0, the height H of the antenna is substantially equal to the wavelength λο, the width W of the antenna is substantially equal to 2 * Kq / 5.

6 - Sectoral antenna according to one of claims 3 to 5 characterized in that: • The ground plane comprises two folds forming two capacitive roofs (31,32), • The two elliptical strands (101), (102) are folded to the ground plane (2) at the center of the antenna (1), • A first end (101a) of the first strand (101) at a first point A near the ground plane (2) and a first end (102a) of the second strand (102) are at a second point A 'near the ground plane (2), • A second end (101b) of the first strand (101) and a second end (102b) of the second strand (102) are respectively positioned at two points C, C 'corresponding to a point whose dimension is such that zc is substantially equal to 0.48 λ0, • R1 + R3 is equal to zc-Za, • R2 is substantially equal to W / 2.

7 - Sectorial antenna according to one of the preceding claims characterized in that it comprises several sets consisting of two strands having an elliptical shape.

8 - sectoral antenna according to one of claims 2 to 7 characterized in that the supply is performed via connection means (30) supplied in phase opposition by means of a balun or 0/180 ° hybrid coupler.

9 - Sectoral antenna according to claim 8 characterized in that it comprises at least two RF connectors (30) selected according to the operating frequency range of the antenna and the desired power handling, the connectors are powered by phase opposition.

10 - Sectoral antenna according to one of the preceding claims characterized in that the operating frequency belongs to the VHF / UHF range with the emission of power from a few tens to a few hundred Watts and a reception in the VHF / UHF bands d linearly polarized electromagnetic waves.

11 - Sector antenna according to one of the preceding claims characterized in that it is suitable for integration into a mobile equipment or fixed infrastructure.