WO1998001920A1 - Dispositif d'emission a antenne omnidirectionnelle - Google Patents

Dispositif d'emission a antenne omnidirectionnelle Download PDF

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Hubert Diez
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Centre National D'etudes Spatiales
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q11/00—Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02—Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/08—Helical antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/362—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith for broadside radiating helical antennas

Definitions

  • the present invention relates to a transmission device with omnidirectional antenna.
  • the device proposed by the invention particularly advantageously finds application for transmission on land mobiles or on satellites.
  • An object of the invention is to propose a device allowing both emission in pure circular polarization, and omnidirectional coverage.
  • omnidirectional antennas are already known. Mention may in particular be made of the slot antennas arranged on cylinders, and more particularly the biconical antennas, as well as the conical coil antennas, or also the dipole type antennas, for example those which have been described in the publications:
  • the invention proposes a new type transmitting device with toroidal antenna having better polarization performance than the toroidal antennas of the prior art.
  • Helical antennas are known for their transmission properties in circular polarization.
  • the invention proposes, for its part, a transmission device whose antenna is of the helical strand type and which has an improved emission diagram compared to that of an antenna of the type described in
  • the transmission device proposed by the invention comprises an antenna having a plurality of strands distributed regularly in a helix around the same cylindrical generator, as well as means for supplying said strands by a radiofrequency signal, and is characterized in that these supply means produce an equi-phase and equi-amplitude supply of said strands.
  • the supply means comprise a coaxial cable which extends coaxially inside the antenna and which supplies the two strands of the latter in two-wire mode.
  • the coaxial cable common to the different strands (which is small in order to avoid parasitic reflections which would destroy the quality of the polarization) is protected by a ferrite sheath.
  • FIG. 1 illustrates a toric radiation, that is to say radiation as sought by
  • FIG. 2 is a schematic perspective representation of a device according to a possible embodiment for the invention
  • FIG. 3 illustrates an example of a radiation diagram obtained with the antenna of FIG. 2.
  • the antenna illustrated in FIG. 2 is an antenna with four helical strands Bx to B 4 .
  • the propellers of these four strands Bj to B 4 are identical and offset by ni 2 relative to each other.
  • These four strands are for example wires wound on a cylindrical mandrel made of a dielectric material.
  • this antenna using printed technology, the strands being printed on a dielectric support.
  • the antenna includes means M for supplying these four strands Bj to B 4 in an equi-amplitude and equi-phase manner.
  • these supply means M comprise a coaxial cable C which extends partly inside the propellers defined by the four strands Bi to B 4 and which makes it possible to convey a signal to said strands radio frequency generated by one U unit.
  • the strands B *. to B 4 are connected to the ground of this coaxial cable C, while at their other end, these strands Bj to B 4 are connected to the outer braid of the coaxial C.
  • the connections between the ends of the strands Bj to B 4 and coaxial cable C have not been shown so as not to overload Figure 2.
  • the invention is not limited to antennas with four radiating strands, but applies more generally to any antenna with n strands. An even number of strands is preferred, however.
  • This coaxial cable C is advantageously protected by a ferrite sheath G.
  • Such a configuration indeed makes it possible to avoid the mass of the coaxial cable constituting a metallic obstacle which disturbs the emission.
  • ferrite rings can be provided on the coaxial cable C distributed every ⁇ / 4 in the length of said cable, where ⁇ is the emission wavelength.
  • phase control (balun" according to the English terminology conventionally used by those skilled in the art) distributed every ⁇ / 4 on the strands B-- . to B 4 . It will be noted that protection by a ferrite sheath is preferred because of its simplicity of implementation, in particular for ground uses.
  • the strands have a diameter of 1 mm.
  • ⁇ represents the angle of progression of each helical strand, Z r and Zi the real and complex impedances at the input of the antenna (SI units)
  • the length of a strand is preferably less than the wavelength ⁇ . Beyond that, optimization is more difficult, even if it is possible to obtain trained diagrams.
  • the impedance was that indicated in the previous table.
  • the transmission frequency was 2000 MHz.
  • This radiation diagram is related to a 9 m measurement sphere (far field).
  • the circular polarization obtained was of high quality.
  • the antenna which has just been described has a reduced manufacturing price. It will also be noted that the compactness of the antenna which has just been described makes it possible to envisage stacking one above the other, for example on the same mandrel, several antennas of this type supplied by the same coaxial, to increase the directivity of the air realized.
  • the antenna is advantageously protected by a radioelectrically transparent radome.
  • the antenna may be fixed to a vehicle by a dielectric mat which may be telescopically deployable or even made up of several elements fitted one on top of the other.
  • the transmission device proposed by the invention is particularly suitable for all applications requiring omnidirectional emissions and in particular for emissions on spined mini satellites navigating in a geocentric reference point or even emissions from mobile earthly.

Abstract

Dispositif d'émission comportant une antenne présentant une pluralité de brins (B1 à B4) répartis régulièrement en hélice autour d'une même génératrice cylindrique, ainsi que des moyens (C, U) pour l'alimentation desdits brins par un signal radiofréquence, caractérisé en ce que ces moyens d'alimentation (C, U) réalisent une alimentation équi-phase et équi-amplitude desdits brins.

Description

DISPOSITIF D'EMISSION A ANTENNE OMNIDIRECTIONNELLE
La présente invention est relative à un dispositif d'émission à antenne omnidirectionnelle.
Le dispositif proposé par l'invention trouve en particulier avantageusement application pour l'émission sur des mobiles terrestres ou sur des satellites.
Un des problèmes rencontrés dans la mise en oeuvre opérationnelle d'un aérien peu directif est la modification de son diagramme de rayonnement due à des effets de réflexion (multi trajets).
Pour résoudre ce type de problème, on utilise habituellement des antennes à polarisation circulaire aussi pure que possible.
Un but de l'invention est de proposer un dispositif permettant à la fois une émission en polarisation circulaire pure, et une couverture omnidirectionnelle .
On connaît déjà de nombreux types d'antennes omnidirectionnelles . On peut notamment citer les antennes à fente disposées sur cylindres, et plus particulièrement les antennes bicônes, ainsi que les antennes à spirale conique, ou encore les antennes de type dipôle, par exemple celles qui ont été décrites dans les publications :
- Brown and oodward, "Circulary polarized omnidirectional antenna", R.C.A. Rev. June 1947 ;
- K. Sakaguchi and N. Hasebe "Acriculary polarized omnidirectional antenna", IEEE Trans . on Antennas and propagation.
Ces différents types d'antennes permettent un rayonnement torique tel qu'illustré sur la figure 1, mais ne permettent pas de réaliser une polarisation circulaire satisfaisante. L'invention propose quant à elle un nouveau type de dispositif d'émission à antenne à rayonnement torique présentant de meilleures performances de polarisation que les antennes à rayonnement torique de 1 ' art antérieur .
Les antennes hélicoïdales sont connues pour leurs propriétés d'émission en polarisation circulaire.
On pourra à cet égard avantageusement se référer à la publication :
- Harold A. Wheeler "A helical Antenna for cir- cular polarisation", Proceedings of I.R.E., December 1947. II a déjà été proposé dans US 5 450 093 une antenne omnidirectionnelle à quatre brins hélicoïdaux. Ces différents brins y sont alimentés de façon déphasée les uns par rapport aux autres.
Toutefois, les diagrammes de rayonnement de ce type d'antenne ne sont pas encore pleinement satisfaisants.
L'invention propose quant à elle un dispositif d'émission dont l'antenne est du type à brins hélicoïdaux et qui présente un diagramme d'émission amélioré par rapport à celui d'une antenne du type décrit dans
US 5 450 093.
Plus particulièrement, le dispositif d'émission proposé par l'invention comporte une antenne présentant une pluralité de brins répartis régulièrement en hélice autour d'une même génératrice cylindrique, ainsi que des moyens pour l'alimentation desdits brins par un signal radiofréquence, et est caractérisé en ce que ces moyens d'alimentation réalisent une alimentation équi-phase et équi-amplitude desdits brins. Avantageusement, les moyens d'alimentation comportent un câble coaxial qui s'étend coaxialement à l'intérieur de l'antenne et qui alimente de façon bifilaire les différents brins de celle-ci.
De préférence, le câble coaxial commun aux différents brins (qui est de faible dimension afin d'éviter les réflexions parasites qui détruiraient la qualité de la polarisation) est protégé par une gaine de ferrite.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre un rayonnement torique, c'est-à-dire un rayonnement tel que recherché par
1 ' invention ;
- la figure 2 est une représentation schématique en perspective d'un dispositif conforme à un mode de réalisation possible pour l'invention ; - la figure 3 illustre un exemple de diagramme de rayonnement obtenu avec l'antenne de la figure 2.
L'antenne illustrée sur la figure 2 est une antenne à quatre brins hélicoïdaux Bx à B4. Les hélices de ces quatre brins Bj à B4 sont identiques et décalées de ni 2 les unes par rapport aux autres.
Ces quatre brins sont par exemple des fils enroulés sur un mandrin cylindrique en un matériau diélectrique.
En variante, il est possible d'envisager de réaliser cette antenne en utilisant une technologie imprimée, les brins étant imprimés sur un support diélectrique .
Conformément à l'invention, l'antenne comporte des moyens M pour alimenter ces quatre brins Bj à B4 de façon équi-amplitude et équi-phase.
Dans l'exemple ici décrit, ces moyens d'alimentation M comportent un câble coaxial C qui s'étend en partie à l'intérieur des hélices définies par les quatre brins Bi à B4 et qui permet de véhiculer jusqu 'auxdits brins un signal radio-fréquence généré par une unité U.
A l'une des extrémités de l'antenne, les brins B*. à B4 sont reliés à la masse de ce câble coaxial C, tandis qu'à leur autre extrémité, ces brins Bj à B4 sont reliés à la tresse externe du coaxial C. Les liaisons entre les extrémités des brins Bj à B4 et le câble coaxial C n'ont pas été représentées pour ne pas surcharger la figure 2.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux antennes à quatre brins rayonnants, mais s'applique de façon plus générale à toute antenne à n brins. Un nombre pair de brins est toutefois préféré.
Ce câble coaxial C est avantageusement protégé par une gaine de ferrite G.
Une telle configuration permet en effet d'éviter que la masse du câble coaxial constitue un obstacle métallique qui perturbe l'émission.
En variante, il peut être prévu sur le câble coaxial C des anneaux de ferrite répartis tous les λ/4 dans la longueur dudit câble, où λ est la longueur d'onde d'émission.
En variante encore, on peut prévoir des moyens de contrôle de phase ("balun" selon la terminologie anglo- saxonne classiquement utilisée par l'Homme du Métier) répartis tous les λ/4 sur les brins B--. à B4. On notera que la protection par une gaine de ferrite est préférée de par sa simplicité de mise en oeuvre, notamment pour les utilisations au sol.
Des exemples de résultats de directivité sont présentés sur le tableau suivant, pour différentes dimensions d'antenne et différentes impédances d'entrée.
Ces exemples correspondent à des antennes à deux brins en hélice sur un tour.
Les brins présentent un diamètre de 1 mm. TABLEAU 1
Nbde Hauteur Rayon de Longueur Zr Zi Directivité α (Deg) Tour(s) axiale (m) la Base (m) d'un brin (λ)
0,085 0,024 1,154 59 -230 2,8 dBi 29,41
0,07 0,022 1,033 76 -300 2,4 dBi 26,86
0,067 0,0215 1,005 83 -318 2,3 dBi 26,38
0,062 0,021 0,972 144 -369 1,3 dBi 25,17
0,06 0,0205 0,947 101 -365 2,1 dBi 24,98
0,045 0,018 0,811 181 -512 1,9 dBi 21,7
0,04 0,017 0,76 222 -568 1,8 dBi 20,53
0,0375 0,0165 0,735 329 -666 1,8 dBi 19,89
0,03 0,015 0,659 605 -840 1,7 dBi 17,66
0,025 0,0135 0,59 1552 139 1,7 dBi 16,42
0,0225 0,013 0,565 134 592 1,7 dBi 15,4
0,016 0,011 0,473 149 390 1,7 dBi 13,03
0,0105 0,009 0,383 24 93 1,7 dBi 10,52
α représente l'angle de progression de chaque brin en hélice, Zr et Zi les impédances réelle et complexe en entrée de l'antenne (unités S.I.)
Comme on le notera sur ce tableau, la directivité d'une telle antenne varie sensiblement de 1,7 dBi à 2,8 dBi.
On notera également que la longueur d'un brin est préférentiellement inférieure à la longueur d'onde λ. Au- delà, l'optimisation est plus délicate, même s'il est possible d'obtenir des diagrammes formés.
Les résultats présentés dans le tableau précédent ont été vérifiés expérimentalement.
On a, à titre illustratif, porté sur la figure 3 le diagramme angulaire de rayonnement obtenu pour une hauteur axiale d'antenne de 0,045 m, un rayon de base de
0,018 m et un rapport de la longueur de brin à la longueur d'onde λ de 0,811. L'impédance était celle indiquée sur le tableau précédent .
La fréquence d'émission était de 2000 MHz. Ce diagramme de rayonnement est rapporté à une sphère de mesure de 9 m (champ lointain).
La polarisation circulaire obtenue était d'une grande qualité.
On notera que le type d'antenne qui est proposé par l'invention permet une grande compacité de géométrie, tout en permettant une couverture quasi omninidirectionnelle.
Par ailleurs, l'antenne qui vient d'être décrite présente un prix de fabrication réduit. On notera également que la compacité de l'antenne qui vient d'être décrite permet d'envisager d'empiler l'une au-dessus de l'autre, par exemple sur un même mandrin, plusieurs antennes de ce type alimentées par un même coaxial, afin d'augmenter la directivité de l'aérien réalisé.
Par ailleurs, l'antenne est avantageusement protégée par un radôme radioélectriquement transparent.
Par exemple, au sol, l'antenne peut être fixée sur un véhicule par un mat diélectrique éventuellement déployable de façon téléscopique ou encore constitué de plusieurs éléments emboîtés les uns sur les autres.
Comme on l'aura compris, le dispositif d'émission proposé par l'invention est particulièrement adapté à toutes les applications nécessitant des émissions omnidirectionnelles et notamment aux émissions sur des mini satellites spinés naviguant dans un repère géocentrique ou encore des émissions à partir de mobile terrestre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'émission comportant une antenne présentant une pluralité de brins (B*. à B4 ) répartis régulièrement en hélice autour d'une même génératrice cylindrique, ainsi que des moyens (C, U) pour l'alimentation desdits brins par un signal radiofréquence, caractérisé en ce que ces moyens d'alimentation (C, U) réalisent une alimentation équi-phase et équi-amplitude desdits brins.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comportent un câble coaxial (C) qui s'étend coaxialement à l'intérieur de l'antenne et qui alimente de façon bifilaire les différents brins (Bx à B4) de celle-ci.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le câble coaxial est protégé par une gaine de ferrite (G) .
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les brins (B} à B ) sont constitués par des fils enroulés sur un même mandrin diélectrique.
5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les brins (B*. à B ) sont des conducteurs imprimés sur un support diélectrique.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'antenne est protégée par un radôme radioélectriquement transparent.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs antennes de ce type superposées coaxialement et alimentées en parallèle de façon équi-phase et équi-amplitude par les' moyens d'alimentation.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur d'un brin est inférieure à la longueur d'onde d'émission.
9. Utilisation d'un dispositif d'émission selon l'une des revendications précédentes sur un mobile terrestre.
10. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 sur un satellite, notamment un satellite spiné.
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