WO2007051931A2 - Antenne miniaturisee pour utilisation grand public - Google Patents

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WO2007051931A2
WO2007051931A2 PCT/FR2006/002468 FR2006002468W WO2007051931A2 WO 2007051931 A2 WO2007051931 A2 WO 2007051931A2 FR 2006002468 W FR2006002468 W FR 2006002468W WO 2007051931 A2 WO2007051931 A2 WO 2007051931A2
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hpr
slow wave
helix
primary
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WO2007051931A3 (fr
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Yves Reza
Original Assignee
Yves Reza
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the present invention relates to the production of antennas, directives or not, and preferably miniaturized. They can be used in particular in a context of remote control and telecommunications for the general public, that is to say in which dimensions, weight and cost aspects (direct cost but also cost of integration into a system) are as much or more important than the pure technical performance.
  • Radio communications eg point-to-point transmission of video images
  • these devices use various frequency bands, ranging from 27 Megahertz (Mhz) up to 2.4 Gigahertz (Ghz) and beyond.
  • Mcz Megahertz
  • Ghz 2.4 Gigahertz
  • a directional radio link typically involves the use of a directional antenna on the device handled by the user or on at least one end of a point-to-point radio link.
  • the realization of directional antennas is a well known subject and does not pose any technical problems; several types of directional antennas exist and are well known and controlled, for example: reflector antennas (which often have a linear polarization) - helical antennas operating in axial mode
  • directional antennas that have all of the following characteristics: a) technical performance in terms of directivity and corresponding to the application considered b) polarization as close as possible to a circular polarization, so that the orientation between the antenna object of the present invention and the other antenna used for the radio link is as indifferent as possible c) dimensions and cost as low as possible d) very easy to use in the usual electronic environment for this type of devices It should be noted that: a) the requirements described above are different from those for professional use, in which on the contrary the maximum technical performance is required b) the size reduction can relate to the antenna itself as well as to the di associated with the ground plane associated with it c) when the distance between the transmitter and the receiver is small, the absolute gain of the antennas used is not necessarily an essential point
  • Fi in the 2.4 Ghz frequency band incorporates more than one antenna on some devices, the actual antenna used being the one that provides the best signal quality at the time of communication.
  • an antenna with a substantially circular polarization makes it possible to reduce the amplitude variations of the waves emitted or received as a function of the reciprocal orientation of the transmitting antenna and receiving antenna.
  • antennas whose polarization is substantially circular are difficult to achieve.
  • a main object of the present invention is to reduce the dimensions of a directional or omnidirectional antenna operating at a very high frequency in order to be able to integrate it with small and low-cost consumer electronic devices, such as, for example, remote controls or wireless communication networks; pure it is important that the antenna also has an impedance that allows:
  • Another main object of the invention is to use the possibilities of reducing the size of the antennas
  • the invention allows antennas of as small a size as possible or to take advantage of the fact that it is possible to have, in the usual dimensions of a quarter or half wave antenna, an electrical length of the antenna. antenna of several wavelengths, or even of several tens of wavelengths.
  • US-A-2005/270248 discloses a helical micro antenna structure.
  • the micro antenna is formed by a very thin conductor, or equivalent, wound helically around a nylon wire of 250 microns or less, diameter with a pitch of about 8 turns per millimeter.
  • the impedance of such an antenna is in principle high since the supply of distributed inductance is not or only slightly compensated by a contribution of distributed capacitance, and it is a fact known per se that a high impedance for an antenna means a high sensitivity to near disturbances (proximity of conductive objects or the human body for example), and a low impedance means a low sensitivity for these same near disturbances.
  • the reduction in size indicated in the document is a reduction of a factor of 3 (-67%) compared to a conventional dipole antenna.
  • the present invention provides, as will appear in the description of the invention, improvements significant compared to the state of the art described in the document US-A-2005/270248, in particular in terms of:
  • This document describes the influence of the size of the ground plane of a helical antenna operating in axial mode: when the ground plane has a large dimension, the antenna radiates in a direction opposite to the ground plane, when the plane of mass has a reduced dimension or does not exist, the axis of radiation is in the direction of the ground plane, that is to say of opposite direction compared to the previous case. No possibility of miniaturization is mentioned in this document.
  • the present invention as defined by Claim 1 makes it possible to provide antennas with technical performance in terms of directivity and gain suitable for consumer applications, of as small a size and cost as possible, and very easy to use in the field. the usual electronic environment of consumer devices. Compared to the previous solutions, the present invention provides the following advantages: a) Particularly small dimensions b) High simplicity and low manufacturing cost c) Ease of use in the usual technical environments for consumer devices
  • this ohmic resistance can be an advantage for the generation of a progressive wave in the radiating element of the antenna, a progressive wave which is particularly necessary for the operation of a helix in axial mode.
  • the radiating element occupies a portion of the total volume of the antenna (which is generally substantially a cylinder or cone) significantly larger than in a conventional helical antenna; a priori, this new situation can interfere negatively with the mechanism of transformation of the electric signal into an electromagnetic wave existing in a conventional helix antenna.
  • Figure 1 shows a conventional helical antenna operating in axial mode, and its radiation pattern, according to a first reference of the state of the art.
  • Figure 2 schematizes the main elements of a conventional conventional helix antenna.
  • Figure 3 schematizes the body of the helix of the slow wave helix antenna according to a second reference (Reference 2).
  • Figure 4 and Figure 5 describe the body of the helix of the slow wave helix antenna according to a third reference of the state of the art (Reference 3).
  • Figure 6 and Figure 7 schematically describe a top view of the turns of the primary helix of the antenna of Reference 3 on the one hand and an antenna according to the present invention on the other hand.
  • Figure 8 and Figure 9 schematically describe a sectional view of the turns of the primary helix of the antenna of Reference 3 on the one hand and an implementation of the present invention on the other hand.
  • Figure 10 depicts a typical curve of reflection coefficient SI1 as a function of frequency for the antenna object of the present invention.
  • Figures 11, 12 and 13 describe important elements of the invention.
  • FIGS 14 and 15 describe examples of antenna configurations according to the invention.
  • Figure 16 describes a variant of the antenna according to the invention wherein the antenna is provided with an annular wall extending around the radiating element.
  • Figure 17 schematizes similarly to Figure 2 the main elements of a helical antenna operating in backward mode ("backfire helix" in the English literature).
  • Figure 18 shows a variant without a ground plane of the antenna shown schematically in Figure 17.
  • Figure 1 describes a conventional helical antenna operating in axial mode, as well as the typical dimensions as a function of the lambda wavelength ( ⁇ ), and its radiation pattern.
  • Figure 2 schematizes the main elements of a conventional helical antenna:
  • the axis (AX) of the helix which is also the direction in which the helix operating in axial mode emits a maximum intensity of radiation
  • Figure 3 schematizes the body of the helix of the slow wave helix antenna of Reference 2 (assuming the body of the opaque helix): the turns of this slow wave antenna are constituted by a conductive ribbon arranged flat on a cylinder containing a conductor connected to the ground of the antenna
  • the axis (AX) of the helix which is also the direction in which the helix operating in axial mode emits a maximum intensity of radiation when the ground plane (PM) has a sufficient dimension
  • HPR primary helix
  • CO wired conductor
  • Figure 6 and Figure 7 schematically depict a top view of the following: a) four adjacent turns (SP1), (SP2), (SP3) and (SP4) of the primary helix of the antenna of the Reference 3, consisting simply of a wire conductor (CO) b) four adjacent turns (SI1), (SI2), (SI3) and (SI4) of an implementation of the present invention consisting of a wire conductor ( CO) surrounded by an insulator (IS)
  • Figure 8 and Figure 9 schematically describe a sectional view of the following: a) two adjacent turns (SP1) and (SP2) of the primary helix of the Reference 3 antenna consisting of just one wire conductor (CO) b) two adjacent turns (SI1) and (SI2) of one implementation of the present invention, consisting of a wire conductor (CO) surrounded by an insulator (IS).
  • the insulator (IS) has a dielectric constant that is appreciably greater than that, air and that the insulator (IS) is disposed substantially continuously between consecutive turns
  • Figure 10 depicts a typical curve of reflection coefficient SI1 as a function of frequency for the antenna object of the present invention:
  • the axis (FR) is that of the frequencies - the axis (SlI) is that of the reflection coefficient of the antenna object of the present invention, according to the standard definitions the minima in (R1), (R2) and ( R3) indicate resonant frequencies - the interval (FU) is a frequency range without resonances, and accordingly where it is possible (if other conditions are fulfilled) to operate the antenna helically in axial mode
  • Figure 11 schematize some of the elements of an antenna according to the invention: - the primary helix (HPR), made by means of a wired conductor (CO) arranged in a helix, constitutes the radiating element (CY) or is included in this radiating element (CY) - the primary helix (HPR) and the radiating element
  • HPR the primary helix
  • CO wired conductor
  • SR surface of revolution
  • CY radiating element
  • Figure 11 shows the case in which the surface of revolution (SR) is at least partly cylindrical
  • Figure 12 shows the case in which the surface of revolution (SR) is at least partly conical.
  • FIGS 14 and 15 schematically show two examples of antenna according to the invention:
  • HPR primary helix
  • IS insulator
  • CM conductor
  • FIG. 15 represents a helical antenna in which the primary helix (HPR) is obtained by winding close turns of the insulated wire: the wire conductor (CO) is surrounded by an insulator (IS), and it contains a conductor (CM) connected directly or indirectly to the mass in the primary helix (HPR);
  • Figure 15 is therefore a concrete example of an antenna schematized in Figure 12
  • the radiating element (CY) consists of all the following elements: the wire conductor (CO), the insulator (IS) and the conductor (CM) connected directly or indirectly to the earth .
  • Antennas such as those described in Figures 14 and 15, but in which the conductor (CM) is not physically connected to ground, are also variants of the antenna according to the invention.
  • FIG. 16 describes a variant of FIG. 5 in which the antenna is provided with a substantially annular conductor wall (SM) extending around the primary helix (HPR) and therefore the radiating element (FIG. CY), and substantially oriented along the axis of the antenna.
  • SM substantially annular conductor wall
  • HPR primary helix
  • FOG. CY radiating element
  • Figure 17 depicts a variant of Figure 2 in which the ground plane (PM) has a reduced size or does not exist.
  • the main beam axis the ground plane (PM) has a reduced size or does not exist.
  • the main beam axis the main beam axis
  • Figure 18 describes a variant of Figure 17 in which the ground plane (PM) has been removed and replaced by a conductive plane (PC) substantially perpendicular to the axis of the antenna and electrically connected to the feed point ( PA) of the antenna.
  • the ground plane (PM) has been removed and replaced by a conductive plane (PC) substantially perpendicular to the axis of the antenna and electrically connected to the feed point ( PA) of the antenna.
  • PC conductive plane
  • the feed point (PA) can be fed by an electrical connection passing inside the propeller.
  • Reference 5 describes a helical antenna operating in axial mode in which an electrically grounded cylinder is disposed inside the antenna.
  • the object of the invention is to provide antennas that have the following characteristics: a) attractive performance in terms of:. gain. circular polarization. directivity (either a high directivity or a strong omnidirectionality) b) adapted to a general public use, for example by allowing them to be incorporated into an electronic remote control of usual dimensions, in particular because of the following elements:
  • the recommended dimensions for a 4-turns helical antenna operating in axial mode with an associated ground plane are the following: outer circumference of the helix of about 12 cm, a diameter of about 4 cm - length of the propeller about 10 cm
  • a helical antenna operating in a mode adjacent to the axial mode One of the objectives of the invention is to provide an antenna which has the following characteristics: a) to keep as much as possible in a given frequency band of performance of a helical antenna operating in axial mode with an associated ground plane in terms of:
  • the general principle of the invention is the realization of slow wave antennas comprising at least one elongated radiating element (CY) comprising at least one primary helix (HPR) formed by a wire conductor (CO) arranged according to the shape of a helix which has at each point an axis substantially coincident with the elongation direction of the elongated radiating element (CY), characterized in that it further comprises means associated with the wire conductor (CO) of the antenna which significantly increases the distributed electrical capacity per unit length of the propeller (HPR) for a significant number of primary helix turns (HPR).
  • CY elongated radiating element
  • HPR primary helix
  • CO wire conductor
  • the significant increase in the distributed electrical capacitance per unit length of the primary propeller (HPR) for a significant number of turns of this primary propeller (HPR) is defined relative to the distributed electrical capacitance.
  • the electrical capacitance distributed per unit length of the primary propeller (HPR) a significant number of turns of this primary propeller (HPR) and the distributed electrical capacity per unit length of the wire conductor (CO) are highly correlated with each other.
  • the significant increase in the distributed electrical capacity per unit length of the wired conductor (CO) of a significant number of turns of the primary propeller (HPR) is in practice synonymous with the significant increase in the capacitance distributed electrical average per unit length of the primary propeller (HPR).
  • the provision of distributed capacitance in addition to the distributed inductance input makes it possible to perform in a simple and miniaturized manner (for example included in a cylinder 30 mm high and 30 mm in diameter for a frequency of 2.4 Ghz) antennas which are electrically long, ie of an electrical length of more than one wavelength, and often of an electric length of several wavelengths, while having a usual impedance for an antenna, that is to say a maximum of a few hundred ohms.
  • HPR primary propeller
  • Directivity and polarization measurements show that other antennas with a helix shape, of substantially cylindrical or conical shape, made according to the principles of the invention have reduced dimensions, particularly advantageous technical characteristics in the case of consumer use, as well as low manufacturing cost.
  • the construction principles of the invention can be used to achieve, while keeping a cost of reduced manufacture and allowing a usual impedance for the antenna, antennas with various shapes, for example antennas in the form of monopolies, dipoles or spirals, and in particular such antennas with an electrical length of several lengths waves.
  • antennas and in particular flexible and deformable antennas, can also be realized.
  • antennas according to the invention it will be possible to combine several antennas according to the invention to produce antennas with desired directivity or omnidirectionality properties.
  • antenna arrays in the following manner: - juxtaposition of several antennas (with for example a part of these antennas or all of these antennas) being antennas according to the invention)
  • Wired antennas of reduced dimensions, and in particular helical antennas are typically, but not only, used with high frequency radio waves.
  • High frequency radio waves will typically be limited to radio waves above 144 Mhz (megahertz), and special attention will be paid to frequency bands that can be used without prior license, such as industrial frequencies. , scientific and medical (ISM), and reserved for use by devices whose emission characteristics (and in particular the power of emission) are regulated. These frequency bands are generally similar (but not identical) between the European Union, the USA and Japan.
  • the following frequency bands of the ISM type whose use is advantageous in the context of the present invention are of particular interest: - 144 Mhz - 315 MHz, 418 to 433 Mhz - 868 and 915 Mhz - 2.4 Ghz (standards IEEE 802, including the Bluetooth, Wifi and Zigbee standards, use this 2.4 GHz band)
  • the antenna object of the present invention may also be used for other uses, such as the receiving television programs, or for any other application using frequencies in the range described above.
  • a conventional helical antenna operating in axial mode is fed by a signal transmitted by a two-wire line and typically consists of the following elements (see Figure 2): a radiating element (CY) consisting of a wire wound into a cylindrical helix of axis (AX), whose number of turns can typically vary from 1 to more than 10 and the outer circumference (CX) is close to the wavelength (LO) in the range of useful frequencies
  • PA antenna feed point
  • PM plane of mass perpendicular to the axis (AX), located approximately at the height of the antenna feed point (AP), connected to the other end of the two-wire line, of typically circular shape or square, and whose diameter or side is of the order of half the wavelength (LO) of useful frequencies
  • the axis (AX) indicated above corresponds to the "Y" axis of FIG.
  • Such an antenna has a marked directivity and emits a wave beam having a maximum in the direction of the axis (AX), ie in the axis of the antenna and oriented in the direction of the element radiating (CY) from the feed point (PA) of the antenna.
  • propellers including propellers:
  • Reference 5 indicates that the ground plane (PM) can even be completely removed in a helical antenna operating in axial mode called "backfire".
  • Figure 18 describes a variant of the "backfire" mode without a ground plane: in this variant, the power point (PA) of the antenna is electrically connected to a conductive surface (PM) substantially perpendicular to the axis (AY), which is therefore located in a position of that occupied by a ground plane (PM) reduced in a variant such as that described in Figure 17.
  • PA power point
  • PM conductive surface
  • AY axis
  • FIG. 16 describes an antenna variant according to the invention in which the antenna is provided with a substantially annular wall (SM), extending around the radiating element (CY) and substantially oriented along the axis. of the antenna.
  • a substantially annular wall (SM) can be made by any means such as conductive surfaces, together or wire mesh monet sonet it has sufficient electrical continuity in the range of useful frequencies, and has an influence on the directivity of the 'antenna.
  • a helical antenna can operate in other modes than the axial mode, whether conventional or "backfire", for example the normal mode.
  • the reference to “helical antenna” means, unless otherwise indicated, “helical antenna operating in axial mode”; whether in conventional or backfire mode.
  • the main requirement for a helical antenna to operate in axial mode is that the outer circumference of the propeller (for one turn of the propeller) is approximately equal to a wavelength (LO) of the frequency or useful frequencies.
  • the propeller consists of a wired conductor
  • the helix consists of turns having a well-defined distributed impedance and capacitance, ie which constitute a line with a well-defined impedance and wave propagation velocity (slow wave propeller of Reference 2, see Figure 3)
  • the helix is constituted by replacing the linear conductor (CO) approximately linear by a conductor wired wire (CO) wound in a primary helix (HPR) using air as dielectric (slow wave propeller of Reference 3, see Figures 4 and 5)
  • the slow wave operation of a helical antenna in axial mode is therefore a general phenomenon, which does not depend on the technology used for the implementation of the slow wave.
  • SL2 SL2
  • SL2 ⁇ SL2
  • C distributed capacitance per unit length
  • the speed of propagation of the wave along the turns (SL1), (SL2), .. of the helix is:
  • Mhz is approximately 10 cm in diameter and 19 cm long, ie theoretical dimensions reduced to 2.4 Ghz by 0.5 cm for the diameter and 1 cm for the length) - at the cost, however, of a bandwidth of 10% of the center frequency (and thus reduced compared to that of a conventional axial mode helix) and a maximum unspecified gain
  • the expected impedances of an antenna are of the order of 50 to 200 Ohms at frequencies higher than the gigahertz
  • the traces of the printed circuits have characteristic impedances whose values are between 20 and 200 Ohms - at the price finally of a certain manufacturing complexity (the primary propeller (HPR) has no appreciable mechanical rigidity and must be maintained on a cylindrical support)
  • the present invention simultaneously uses several techniques to obtain a slow wave operation of an antenna comprising at least one elongate radiating element (CY) comprising at least one primary helix (HPR) formed by a wire conductor (CO) arranged in the form of a 'a propeller which has in each point an axis substantially coincident with the elongation direction of the elongated radiating element (CY), characterized in that it further comprises means associated with the wire conductor (CO) of the antenna which significantly increase the distributed electrical capacitance per unit of Primary helix length (HPR) for a significant number of primary helix turns (HPR).
  • CY elongate radiating element
  • HPR primary helix
  • CO wire conductor
  • HPR primary propeller
  • a reduction in the outer circumference of the propeller by reference to an antenna according to Reference 3 (22 mm instead of 26 mm) for a coiled coil with the following characteristics: i. 0.6 mm diameter wire covered with polyvinyl chloride (PVC) insulation for a total outside diameter of approximately 1.3 mm ii. winding of the primary helix with contiguous turns (before the curvature of this helix) on a mandrel with a diameter of approximately 1.5 mm in diameter iii.
  • PVC polyvinyl chloride
  • propeller with a total height of 26 mm, wound from a height of 7 mm, with a total outside diameter of 21.5 mm and placed on a 25 mm side square ground plane iv. optionally surrounded by an outer cylinder of polyvinyl chloride (PVC) for a total external diameter of approximately 26 mm b) an input impedance very close to that of a conventional propeller operating in axial mode
  • PVC polyvinyl chloride
  • PVC polyvinyl chloride insulation
  • the desired miniaturization reduces the overall dimensions of the antenna, which mechanically reduces the available surfaces to achieve distributed capacitances per unit length of the radiating element
  • HPR distributed capacity per unit length of the primary helix
  • FIG. 8 is a sectional view of two adjacent turns (SP1) and (SP2), with air as dielectric;
  • FIG. 9 is a sectional view of two adjacent turns (SI1) and (SI2), with as dielectric:
  • FIGS. 8 and 9 Air Outside the Insulation (IS) Figures 8 and 9 assume the adjacent turns rigorously parallel. For a primary helix (HPR), the turns are not rigorously parallel, but the previous configuration remains valid as a first approximation. It can be seen in these FIGS. 8 and 9 that the contribution of distributed capacitance is all the greater as the adjacent turns (SI1) and (SI2) are brought closer together; in this case, indeed, the air plays a minor role with respect to the insulator (IS) as dielectric between the adjacent turns (SI1) and (SI2), and the insulator (IS) is arranged in a substantially continuous manner .
  • a typical wire insulation for example polyvinyl chloride (PVC), has a dielectric constant of the order of 3, which is therefore significantly greater than that of air which is 1.
  • PVC polyvinyl chloride
  • Reference 4 indicates how the capacity between successive turns of a solenoid is important for modeling the circuit equivalent of this solenoid at frequencies higher than the gigahertz.
  • CM conductive wire wound along the primary propeller (HPR) and connected to the ground is able to provide this additional capacity.
  • Case 3 above is a variant of Case 2) described above: the conductor (CM) connected to ground is inside the primary propeller (HPR) instead of being along this primary helix (HPR).
  • CM conductor
  • HPR primary propeller
  • connection to the electrical earth can be made directly or by means of resistors or capacitive or inductive components, with an effect on the characteristics of the antenna which depends on the value of the resistor or the capacitive or inductive component.
  • the described electrical conductor mentioned above can also in cases 4) and 5) not be connected to the electrical ground in a material way. It will be noted that at frequencies greater than 1
  • CM whether connected to the ground or not, can be inserted only in a part of the primary propeller (HPR), or two conductors
  • CM primary helix
  • the radiating element (CY) also radiates when the primary helix (HPR) is covered in whole or in part by a conductive surface.
  • HPR primary helix
  • CM conductive element
  • the primary helix when wound with insulated wire, it is preferably wound with very close turns.
  • the dimensions of the propeller are smaller than those of a conventional propeller, but with different objectives: a) in the case of the antenna of Reference 2, the objective is to reduce Extreme dimensions, even reaching limits or restrictions in terms of bandwidth or gain b) In the case of the antenna of Reference 3, the objective is to reduce the dimensions while keeping performances as close as possible as possible from a conventional propeller; however, significant restrictions are achieved in terms of input impedance
  • the objective is intermediate between the two examples mentioned above: a) operation with a frequency band as wide as that of the antenna of Reference 3 is not required; for example :
  • Ghz is around 3.4%.
  • the role of resonance frequencies for an antenna according to the present invention is important for the design of an antenna according to the present invention; in particular when this antenna is very miniaturized, the following general phenomena are observed: a) there are typically resonances in the desired range of working frequencies, and these resonances can be more or less pronounced, according to the construction technique of the antenna (presence or absence of a conductor inside the primary propeller (HPR) in particular) b) these resonances prevent the antenna according to the invention from functioning as a helical antenna operating in axial mode; for example, in the vicinity of a resonance, the polarization may approach a linear polarization and the directivity effect is modified or disappears.
  • HPR primary propeller
  • the antenna providing a substantially constant amplitude signal depending on its orientation relative to the other antenna used to communicate; in an environment corresponding to an environment of daily life, comprising various metallic elements that can influence the propagation of the waves between the two antennas used to communicate, it can be seen that this variation, with an antenna according to the invention, is significantly lower in this case than 'with a conventional monopole antenna placed in the same position
  • the useful frequency band (FU) for axial mode helical operation is outside and preferably far from the resonances that exist in the antenna (R1, R2 or R3) the band of frequencies useful for operation in omnidirectional mode is on the contrary in the vicinity of these resonance frequencies
  • the antenna resonances can be detected using a scalar or vector network analyzer, such as the HP8410, HP8510 or HP8755.
  • the ground plane (PM) with a perpendicular extension in the form of a conducting cylinder (SM) typically of circular or polygonal shape.
  • the conducting cylinder (SM) when it is of a height and a spacing relative to the primary propeller (HPR) adapted has an effect on the directivity of the antenna, and allows in particular either to improve the directivity of the antenna by reducing or eliminating distinct side lobes of the axis, or to improve the omnidirectionality of the antenna by leveling the amplitude of the side lobes.
  • a 3-dimensional simulator such as Ansoft Hfss (registered trademarks) often allows to obtain sizing and structures that avoid these resonances.
  • the use of a simulator for an antenna according to the invention and very miniaturized is, however, made difficult by the fact that the operation of the simulator and the many parameters that define a simulation must first be validated by comparison with experimental results, because many physical and electrical phenomena are involved in the conversion of the electrical signal into an electromagnetic wave or vice versa in the antenna according to the invention.
  • tuning is possible by successive and conventional tests and measurements of the transmission and resonance characteristics. using a scalar or vector network analyzer, such as the HP8410, HP8510, or HP8755.
  • Conductor-free primary propellers located inside: a) Use of 0.6 mm diameter wire surrounded by PVC insulator with a total outside diameter of 1.2 mm, wound with contiguous turns on a mandrel which is removed after winding b) Use of 0,40 mm diameter wire surrounded by a polyurethane varnish insulation with a total outside diameter of 0.43 mm, wound with contiguous turns on a mandrel which is removed after winding c) Use of 0.20 mm diameter wire surrounded by polyurethane varnish insulation with a total outside diameter of 0, 23 mm, wound with contiguous turns on a mandrel which is removed after winding (approximately 4.5 turns per millimeter)
  • additional mechanical rigidity can be provided by inducing the outside or all of the helix thus formed by a varnish or an insulating product; depending on the dielectric constant of the varnish or the product used, additional distributed capacity can also be provided using this method.
  • Thinner enamelled wires eg conductor diameter of 0.05 mm or finer can also be used.
  • HPR Primary propellers with conductor arranged inside: d), e) and f): the same primary propellers as for the cases a), b) and c) above in which a flexible wire, isolated or not , is arranged in the center of the propeller; this conductor may be close to the inner diameter of the helix or on the contrary of much smaller diameter, and its exact placement is not critical g), h) and i): the same primary helices as for cases a), b) and c) above which are wound on a conductive mandrel (insulated or not, flexible or rigid), which is kept after winding It will be noted that the different primary propellers
  • HPR primary propellers
  • HPR whose mechanical rigidity or on the contrary flexibility can be easily predefined, for example: a) to achieve primary propellers (HPR) which have sufficient mechanical rigidity for give a given shape to the radiating element (CY), it will be possible to use sufficiently rigid son for the wire conductor (CO) or the conductor (CM) b) to achieve primary propellers (HPR) which have flexibility sufficient to allow a deformation of the radiating element (CY) in all directions of the space to give a certain shape to the radiating element (CY), it will be possible to use sufficiently flexible son both for the driver wired (CO) and the driver (CM)
  • the primary propellers (HPR) achievable according to the invention make it easy and inexpensive to produce various types of radiating elements (CY).
  • the radiating elements (CY) whose mechanical length is of the order of the electric wavelength in the radiating element (CY)
  • the radiating elements (CY) constituted for the most part by the primary helix (HPR)
  • the radiating elements (CY) in the primary helix is wholly or partly covered by a conductive surface
  • the variants in the implementation of the invention for substantially cylindrical or substantially conical helix antennas mainly depend on the following elements: a) the number of turns of the helix b) the method of adding the distributed capacitance c) the protection of the antenna according to the present invention d) the method of manufacturing the primary propeller (HPR) B.1.2) The number of turns of the propeller
  • This protection may for example be achieved by surrounding the antenna with a surface (SU) constituted by a dielectric material.
  • SU surface constituted by a dielectric material.
  • this surface (SU) may also contribute to mechanically rigidly maintaining the antenna.
  • the antenna may have a cylindrical outer circumference and the surface (SU) a circumference cylindrical interior equal to the outer circumference of the antenna.
  • the surface (SU) will be fixed rigidly with respect to the ground plane (PM) of the antenna and to the feed point (PA) of the antenna
  • the antenna will be held rigidly by the surface (SU).
  • the mechanical rigidity of the structure constituted by the primary propeller (HPR) relying on the surface (SU) is sufficient for a general public use, and it will be sufficient to fix rigidly to the surface (SU) the end of the antenna opposite the feed point (PA) to have a simple and economical way of an antenna whose rigidity is adapted to a general public use.
  • this surface (SU) when the surface (SU) has an appreciable thickness with respect to the wavelength of the useful frequency (FU) (for example of the order of 2 mm or more at the frequency of 2.4 Ghz and for a helix with an outside diameter of about 20 mm), this surface (SU) constitutes an electric charge for the antenna which can no longer be neglected. For conventional helical antennas, such an electrical charge is generally avoided. In the context of the present invention when insulated wire is used, on the contrary, such a charge can be particularly beneficial if the electrical characteristics of the insulator of the surface (SU) and those of the insulator (IS) of the insulated wire used to wind the primary propeller (HPR) are equal or nearby. B.1.5) The method of manufacturing the primary propeller (HPR) of the antenna according to the present invention
  • antennas according to the invention which have a shape other than a helix; various embodiments of the invention have been described previously.
  • antennas whose radiating elements (CY) have an electrical length of the order of the wavelength of the useful frequencies can easily be resonant on narrow frequency bands, of the order of a few percent
  • antennas of linear form see in particular section 6-8 of Reference 1 or of shape close to a linear form whose radiating elements (CY) have an electrical length of the order of several times the wavelength of the useful frequencies, and possibly several tens of times this electric wavelength; these antennas are generally non-resonant or weakly resonant over wide frequency ranges
  • Antennas of the above type a) can for example be advantageously made by arranging a primary helix (HPR) according to the invention around or along a conductor, connected or not to ground. It may be advantageous in this case (and in other cases as well) to use a substantially elongated primary helix to reduce the area of each turn of the primary helix (HPR) for a constant perimeter of these turns; indeed, as a first approximation, the inductance of each turn is related to the surface of the turn, while the capacity between successive turns is related to the perimeter of the turns.
  • HPR primary helix
  • the antennas of type b) above have several points in common with helical propellers operating in axial mode: these two types of antennas have an electrical length which is significantly greater than the wavelength of the useful frequencies (for example 3 at 5 times the length of one of the useful frequencies) - the operation of these two types of antennas is based on the establishment of a progressive wave in the radiating element (see Reference 1 in particular) the two types of antennas are directional and the direction of their maximum amplitude is close to:
  • the maximum amplitude of a helix operating in axial mode is in the axis of the helix.
  • the maximum amplitude of a linear antenna whose electrical length is several wavelengths is close to the axis of the helix
  • a linear antenna whose electrical length is of several wavelengths can be seen in the context of the present invention its modified form into a helical shape while substantially keeping the characteristics indicated above.
  • helical antennas operating in axial mode and linear antennas whose electrical length is of several wavelengths may have neighboring directivity characteristics for a user.
  • an antenna according to the invention may be composed of the juxtaposition of several antennas according to the invention.
  • antennas according to the invention More generally, antenna arrays ("antenna arrays" in the English literature) can be made using at least one antenna according to the invention.

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Abstract

La présente invention porte sur la réalisation d'antennes miniaturisées, directives ou non, utilisables notamment dans un contexte de télécommande grand public. Le principe général de l'invention est d'utiliser comme base une antenne en hélice fonctionnant en mode axial et de réduire les dimensions de l'hélice eu utilisant simultanément une ou 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 réduites b) Grande simplicité et faible coût de fabrication c) Impédance d'entrée comparable à celle des antennes en hélice conventionnelles.

Description

ANTENNE MINIATURISEE POUR UTILISATION GRAND PUBLIC
La présente invention porte sur la réalisation d'antennes, directives ou non, et de préférence miniaturisées. Elles sont utilisables notamment dans un contexte de télécommande et de télécommunications grand public, c'est à dire dans lequel les aspects dimensions, poids et coût (coût de revient direct mais aussi coût d'intégration dans un système) 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
Alternativement, il est intéressant de pouvoir disposer d'antennes les plus omnidirectionnelles possibles, pour limiter les variations d'amplitude des ondes émises ou reçues en fonction de l'angle d'incidence de ces ondes.
C'est ainsi que les fabricants de dispositifs de communication utilisant le standard couramment appelé « Wi-
Fi » dans la bande de fréquences 2,4 Ghz incorporent plus d'une antenne sur certains dispositifs, l'antenne effectivement utilisée étant celle qui fournit la meilleure qualité de signal au moment de la communication .
En particulier, une antenne avec une polarisation substantiellement circulaire, sur tout ou partie de l'angle solide d'émission ou de réception, permet de réduire les variations d'amplitude des ondes émises ou reçues en fonction de l'orientation réciproque de l'antenne émettrice et de l'antenne réceptrice. Toutefois, les antennes dont la polarisation est substantiellement circulaire sont difficiles à réaliser.
Un but principal de la présente invention est de réduire les dimensions d'une antenne directive ou omnidirectionnelle fonctionnant en très haute fréquence pour pouvoir l'intégrer à des dispositifs électroniques grand public de faible dimensions et de faible coût, tels par exemple que des télécommandes ou des réseaux de communication sans fil ; pur cela, il est important que l'antenne possède en plus une impédance qui permette :
- une utilisation simple dans le cas de circuits radiofréquences usuels (dans de tels circuits, par exemple, pour des fréquences au-delà du gigahertz, les impédances qui dépassent 300 ou 400 ohms doivent faire l' objets de traitements particuliers)
- une largeur de bande appréciable de l'ordre de quelques pourcents (par exemple, la largeur de la bande ISM de 2,4 Ghz est de 3,4 %)
Un autre but principal de l'invention est d'utiliser les possibilités de réduction de la taille des antennes permises par l' invention pour réaliser des antennes de taille aussi réduite que possibles ou bien pour tirer profit du fait qu' il est possible d' avoir, dans les dimensions usuelles d'une antenne quart ou demi onde, une longueur électrique de l'antenne de plusieurs longueurs d'onde, ou de même de plusieurs dizaines de longueurs d'ondes.
Par ailleurs, le document US-A-2005/270248 décrit une structure de micro antenne en hélice. Selon ce document, la micro antenne est formée par un conducteur très fin, ou équivalent, enroulé en hélice autour d'un fil de nylon de 250 μm, ou moins, de diamètre avec un pas d'environ 8 tours par millimètre.
Toutefois, l'impédance d'une telle antenne est en principe élevée puisque l'apport d'inductance distribuée est pas ou peu compensé par un apport de capacité distribuée, et il est un fait connu en soi qu'une impédance élevée pour une antenne signifie une sensibilité élevée aux perturbations proches (proximité d'objets conducteurs ou du corps humain par exemple) , et une impédance basse signifie une sensibilité basse pour ces mêmes perturbations proches.
Par ailleurs, sa fabrication suppose des techniques spécialisées, et, par exemple, ne peut pas être réalisée avec des techniques et des méthodes classiques de bobinage. De plus, la rigidité mécanique ou au contraire la souplesse peut difficilement être pré définie pour répondre à des besoins particuliers. Enfin, la réduction de taille indiquée dans le document est une réduction d'un facteur 3 (-67 %) par rapport à une antenne dipôle conventionnelle. La présente invention apporte, ainsi qu'il apparaîtra dans la description de l'invention, des améliorations significatives par rapport à l'état de l'art décrit dans le document US-A-2005/270248, notamment en termes de :
- réduction de l'impédance de l'antenne
- facilité de fabrication
Dans le domaine des antennes, on peut citer les références suivantes :
Référence 1. Le livre « Antennas for ail 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, ainsi que de nombreuses autres formes et types d'antennes, et ainsi que de nombreuses techniques de calcul relatives aux antennes Référence 2. L'article des « IEEE Transactions on antennas and Propagation » Vol 39 N°β juin 1991 « Study of an internally matched helical beam antenna »
Ce document décrit le principe général ainsi que la mise en œuvre 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 œuvre par rapport à des surfaces et au moyen d' inductances et de capacités distribuées dont la valeur est calculée explicitement à partir desdites surfaces. Ce principe est donc inapplicable à des antennes sans surfaces en regard qui soient significatives et déterminables .
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 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
Ce document décrit le principe général ainsi que la mise en œuvre 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, à savoir une impédance très élevée et possédant une composante réactive importante, ce qui rend difficile son utilisation dans un contexte grand public.
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. Ce document se limite à une simple modélisation du solénoïde.
Référence 5. L'article des « IEEE Transactions on antennas and Propagation » Vol AP-32 N°10 octobre 1984 « A Backfire helical feed »
Ce document décrit un exemple d'antenne en hélice fonctionnant en mode axial sans plan de masse, avec un rayonnement inversé par rapport à une antenne en hélice conventionnelle fonctionnant en mode axial. Aucune possibilité de miniaturisation n'est mentionnée dans ce document . Référence 6. L'article des « IEEE Transactions on antennas and Propagation » Vol 36 N0IO octobre 1988 « Backfire radiation from a monofilar hélix with a small ground plane»
Ce document décrit l'influence de la taille du plan de masse d'une antenne en hélice fonctionnant en mode axial : lorsque le plan de masse a une dimension importante, l'antenne rayonne dans une direction opposée au plan de masse, lorsque le plan de masse a une dimension réduite ou n'existe pas, l'axe de rayonnement est en direction du plan de masse, c'est à dire de sens opposé par rapport au cas précédent. Aucune possibilité de miniaturisation n'est mentionnée dans ce document.
Référence 7. Le brevet anglais numéro 576,159 dont la date de demande est - le 4 décembre 1942 intitulé « Improvements in Radio Aerials » Ce document décrit une antenne directionnelle en hélice comprenant un conducteur qui est d' abord bobiné en une hélice primaire de diamètre réduit, mais ne mentionne pas de caractéristiques particulières de l'hélice primaire qui permette d'améliorer la miniaturisation. D'ailleurs, malgré l'ancienneté de ce document, ce type d'antenne n'a pas fait l'objet d'une large diffusion.
Ces références, et en particulier la Référence 1, contiennent elles-mêmes d' autres références qui peuvent être utiles pour la présente invention.
La présente invention telle que définie par la Revendication 1 permet de réaliser des antennes dotées de performances techniques en termes de directivité et de gain adaptées à des applications grand public, de dimensions et coût aussi réduits que possible, et très facile d'emploi dans l'environnement électronique usuel des dispositifs grand public. 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 pour des dispositifs grand public
La réalisation d'antennes telles que définies par la Revendication 1 se heurte a priori à des difficultés appréciables, et notamment, ainsi que la description de l'invention le détaillera : a) Tout d'abord une telle antenne suppose, pour réaliser une hélice primaire, l'utilisation d'une longueur importante de conducteur filaire dans l'élément rayonnant, ce qui entraîne l'inconvénient bien connu d'une résistance ohmique relativement élevée (par exemple, 1 mètre linéaire de fil de cuivre d'un diamètre de 0,05 mm a une résistance ohmique de l'ordre de 8 ohms en courant continu, et de l'ordre de 50 ohms à, 2 Ghz) , ce qui par nature limite l'efficacité de l'antenne ; toutefois, il s'avère que cela n'est pas un obstacle lorsque la portée recherchée est de l'ordre de quelques mètres en vue directe. Au contraire, il semble que cette résistance ohmique puisse être un avantage pour la génération d'une onde progressive dans l'élément rayonnant de l'antenne, onde progressive qui est notamment nécessaire pour le fonctionnement d'une hélice en mode axial. b) Ensuite, l'introduction pour certaines antennes, d'un conducteur à l'intérieur ou au voisinage très proche de l'hélice primaire, introduit des facteurs qui peuvent a priori interférer de manière négative avec le mécanisme de transformation du signal électrique en onde électromagnétique, et cela d'autant plus que ce conducteur est proche de l'hélice primaire :
- pertes ohmiques supplémentaires dans ce conducteur
- couplages indésirables par inductance et/ou capacité et/ou propagation à des vitesses différentes entre parties de l'hélice primaire et ce conducteur c) Enfin, pour les antennes en formé d'hélice, alors que le diamètre extérieur de l'hélice diminue en raison de la miniaturisation recherchée, le diamètre extérieur de l'élément rayonnant augmente par rapport à une hélice conventionnelle en raison du remplacement d'un conducteur filaire par un élément rayonnant qui comprend une hélice primaire. En conséquence, dans une antenne selon la Revendication 1, l'élément rayonnant occupe une partie du volume total de l'antenne (qui est en général substantiellement un cylindre ou un cône) significativement plus importante que dans une antenne en hélice conventionnelle ; a priori, cette situation nouvelle peut interférer négativement avec le mécanisme de transformation du signal électrique en onde électromagnétique existant dans une antenne en hélice conventionnelle.
PRESENTATION DES FIGURES D' autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en références aux figures annexées dans lesquelles :
La Figure 1 représente une antenne conventionnelle en hélice fonctionnant en mode axial, ainsi que son diagramme de rayonnement, selon une première référence de l'état de la technique. La Figure 2 schématise les éléments principaux d'une antenne en hélice conventionnelle usuelle.
La Figure 3 schématise le corps de l'hélice de l'antenne en hélice à onde lente selon une deuxième référence (Référence 2) .
La Figure 4 et la Figure 5 décrivent le corps de l'hélice de l'antenne en hélice à onde lente selon une troisième référence de l'état de la technique (Référence 3).
La Figure 6 et la Figure 7 décrivent de manière schématique une vue de dessus des spires de l'hélice primaire de l'antenne de la Référence 3 d'une part et d'une antenne selon 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 œuvre de la présente invention d'autre part.
La Figure 10 décrit une courbe typique du coefficient de réflexion SIl en fonction de la fréquence pour l'antenne objet de la présente invention. Les Figures 11, 12 et 13 décrivent des éléments importants de l'invention.
Les Figures 14 et 15 décrivent des exemples de configurations d'antennes selon l'invention.
La Figure 16 décrit une variante de l'antenne selon l'invention dans laquelle l'antenne est dotée d'une paroi annulaire s' étendant autour de l'élément rayonnant.
La Figure 17 schématise de manière analogue à la Figure 2 les éléments principaux d'une antenne en hélice fonctionnant en mode arrière (« backfire hélix » dans la littérature anglo-saxonne) .
La Figure 18 schématise une variante sans plan de masse de l'antenne schématisée en Figure 17. DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION
Sur les différentes figures, on a conservé les mêmes 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 (λ) , et 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 de l'antenne (PA) - le plan de masse (PM) , qui peut être réduit à l'arrivée du conducteur extérieur d'un câble ou d'une connexion coaxiale, ou même supprimé
- 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 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 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
- quatre spires d'une telle antenne sont représentées schématiquement par (SLl), (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 de l'antenne (PA)
- le plan de masse (PM) , qui peut être réduit à la seule arrivée du conducteur extérieur d'un câble ou d'une connexion coaxiale, ou qui peut même ne pas exister
- 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 lorsque le plan de masse (PM) a une dimension suffisante
- l'hélice primaire (HPR) de cette antenne en hélice à onde lente, cette hélice primaire étant réalisée au moyen d'un conducteur filaire (CO) disposé en hélice ; cette hélice primaire s'identifie dans ce type d'antenne avec l'élément rayonnant (CY).
La Figure 6 et la Figure 7 décrivent de manière schématique une vue de dessus des éléments suivants : a) quatre spires adjacentes (SPl), (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 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 : a) deux spires adjacentes (SPl) 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 œuvre de la présente invention, constituées d'un 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 et que le l'isolant (IS) est disposé de manière substantiellement continue entre spires consécutives
- alors la capacité distribuée existant entre les deux spires (SIl) et (SI2) est appréciablement supérieure à celle existant entre les spires (SPl) et (SP2)
La Figure 10 décrit une courbe typique du coefficient de réflexion SIl en fonction de la fréquence pour l'antenne objet de la présente invention :
- l'axe (FR) est celui des fréquences - l'axe (SlI) 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
La Figure 11, la Figure 12 et la Figure 13 schématisent certains des éléments d'une antenne selon l'invention : - l'hélice primaire (HPR), réalisée au moyen d'un conducteur filaire (CO) disposé en hélice, constitue l'élément rayonnant (CY) ou est incluse dans cet élément rayonnant (CY) - l'hélice primaire (HPR) et l'élément rayonnant
(CY) remplacent le conducteur filaire d'une antenne filaire conventionnelle
- une surface de révolution (SR) sur laquelle le l'élément rayonnant (CY) peut être disposé, au moins en partie
La Figure 11 représente le cas dans lequel la surface de révolution (SR) est au moins en partie cylindrique, et la Figure 12 représente le cas dans lequel la surface de révolution (SR) est au moins en partie conique.
Les Figures 14 et 15 représentent de manière schématique deux exemples d'antenne selon l'invention :
- la Figure 14 représente une antenne en hélice dans laquelle l'hélice primaire (HPR) est obtenue en bobinant à spires jointives du fil isolé : le conducteur filaire (CO) est entouré d'un isolant (IS), et il ne contient pas de conducteur (CM) relié directement ou indirectement à la masse, ou non relié à la masse, dans l'hélice primaire
(HPR) ; la Figure 14 est donc un exemple concret d'antenne schématisé en Figure 11
- la Figure 15 représente une antenne en hélice dans laquelle l'hélice primaire (HPR) est obtenue en bobinant à spires rapprochées du fil isolé : le conducteur filaire (CO) est entouré d'un isolant (IS), et il contient un conducteur (CM) relié directement ou indirectement à la masse dans l'hélice primaire (HPR) ; la Figure 15 est donc un exemple concret d' antenne schématisé en Figure 12 On remarquera que dans ces deux cas l'élément rayonnant (CY) est constitué par l'ensemble des éléments suivants : le conducteur filaire (CO), l'isolant (IS) et le conducteur (CM) relié directement ou indirectement à la masse. Des antennes telles que celles décrites dans les Figures 14 et 15, mais dans lesquelles le conducteur (CM) n'est pas relié matériellement à la masse, sont aussi des variantes de l'antenne selon l'invention.
La Figure 16 décrit une variante de la Figure 5 dans laquelle l'antenne est dotée d'une paroi conductrice (SM), essentiellement annulaire, s' étendant autour de l'hélice primaire (HPR), et donc de l'élément rayonnant (CY), et sensiblement orienté selon l'axe de l'antenne. La hauteur de la paroi conductrice (SM) essentiellement annulaire et son écartement par rapport à l'élément rayonnant ont un impact sur la directivité de l'antenne.
La Figure 17 décrit une variante de la Figure 2 dans laquelle le plan de masse (PM) a une dimension réduite ou n'existe pas. Dans ce cas, l'axe du rayonnement principal
(AY) est orienté dans la même direction que, mais de sens opposé à l'axe (AX) de la Figure 2. Dans la littérature anglo-saxonne, un tel type d'antenne en hélice est appelée « backfire ».
La Figure 18 décrit une variante de la Figure 17 dans laquelle le plan de masse (PM) a été supprimé et remplacé par un plan conducteur (PC) sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'antenne et relié électriquement au point d'alimentation (PA) de l'antenne.
Dans le cas des antennes décrites dans les Figures 17 et 18, le point d'alimentation (PA) peut être alimenté par une connexion électrique passant à l'intérieur de l'hélice.
On notera que la Référence 5 décrit une antenne en hélice fonctionnant en mode axial dans laquelle un cylindre électriquement relié à la masse est disposé à l'intérieur de l'antenne.
DESCRIPTION DU FONCTIONNEMENT DE L'INVENTION A.l) LE PRINCIPE GENERAL DE L'INVENTION
L'objectif de l'invention est de réaliser des antennes qui aient les caractéristiques suivantes : a) des performances attractives en termes de : . gain . polarisation circulaire . directivité (soit une forte directivité, soit une forte omnidirectionalité) b) adaptées à un usage grand public, par exemple en permettant de les 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 caractéristiques électriques, telles que l'impédance, adaptées à une intégration facile dans les circuits électriques et radiofréquence usuels
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 ci-dessus 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.
A.1.1) Une antenne en hélice fonctionnant dans un mode voisin du mode axial Un des objectifs de l'invention est de réaliser une antenne qui ait les caractéristiques suivantes : a) garder autant que possible dans une bande de fréquence donnée des performances d'une antenne en hélice fonctionnant en mode axial avec un plan de masse associé en termes de :
. gain . directivité . polarisation circulaire b) tout en l'adaptant à un usage grand public, par exemple en permettant de l'incorporer dans une télécommande électronique de dimensions usuelles Le principe général de l'invention pour cette application 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 ou en mode « backfire » 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
> enroulant l'hélice primaire autour d'un mandrin isolant contenant un conducteur, > enroulant l'hélice primaire le long d'une hélice filaire passive, cette hélice filaire passive c) lorsque l'antenne a un plan de masse associé, réduire la taille du plan de masse associé à l'antenne, ou bien supprimer totalement le plan de masse
A.1.2) Le principe général de l'invention
Les éléments précédents montrent que le principe général de l'invention est la réalisation d'antennes à onde lente comprenant au moins un élément rayonnant (CY) allongé comportant au moins une hélice primaire (HPR) formée par un conducteur filaire (CO) agencé selon la forme d'une hélice qui présente en chaque point un axe sensiblement confondu avec la direction d'allongement de l'élément rayonnant (CY) allongé, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens associés au conducteur filaire (CO) de l'antenne qui augmentent significativement la capacité électrique distribuée par unité de longueur de l'hélice primaire (HPR) pour un nombre significatif de spires de l'hélice primaire (HPR).
Dans la présentation ci-dessus, l'augmentation significative de la capacité électrique distribuée par unité de longueur de l'hélice primaire (HPR) pour un nombre significatif de spires de cette hélice primaire (HPR) est définie par rapport à la capacité électrique distribuée par unité de longueur de l'hélice primaire (HPR) pour un conducteur filaire (CO) seul bobiné en une hélice ayant les mêmes dimensions que l'hélice primaire (HPR), cette hélice pouvant être supportée mécaniquement sur un support diélectrique usuel
On notera par ailleurs que la capacité électrique distribuée par unité de longueur de l'hélice primaire (HPR) d'un nombre significatif de spires de cette hélice primaire (HPR) et la capacité électrique distribuée par unité de longueur du conducteur filaire (CO) sont très corrélées entre elles. En conséquence, l'augmentation significative de la capacité électrique distribuée par unité de longueur du conducteur filaire (CO) d'un nombre significatif de spires de l'hélice primaire (HPR), est en pratique synonyme de l'augmentation significative de la capacité électrique distribuée moyenne par unité de longueur de l'hélice primaire (HPR) .
On remarquera aussi que l'apport de capacité distribuée en plus de l'apport d'inductance distribuée permet de réaliser de manière simple et miniaturisée (par exemple comprises dans un cylindre de 30 mm de haut et de 30 mm de diamètre pour une fréquence de 2,4 Ghz) des antennes qui sont électriquement longues, c'est à dire d'une longueur électrique de plus d'une longueur d'onde, et souvent d'une longueur électrique de plusieurs longueurs d'onde, tout en ayant une impédance usuelle pour une antenne, c'est à dire au maximum de quelques centaines d' ohms . On remarquera aussi, et la description ci-dessous détaillera cet aspect, que l'augmentation de la capacité électrique distribuée par unité de longueur de l'hélice primaire (HPR) est réalisée :
- par des moyens associés au conducteur filaire (CO) de l'antenne principalement au moyen de capacités distribuées existant entre les spires du conducteur filaire (CO) et/ou entre les spires du conducteur filaire (CO) et le conducteur (CM) Cette possibilité de réaliser de manière simple et économique des éléments rayonnants (CY) dont la longueur électrique, qui peut atteindre plusieurs longueurs d'onde, est bien supérieure à leur longueur physique, ouvre des perspectives nouvelles dans la conception d'antennes.
A.1.3) D'autres antennes en hélice
Des mesures de directivité et de polarisation montrent que d'autres antennes avec une forme d'hélice, de forme substantiellement cylindrique ou conique, réalisées suivant les principes de l'invention ont des dimensions réduites, des caractéristiques techniques particulièrement intéressantes dans le cas d'un usage grand public, ainsi qu'un faible coût de fabrication.
A.1.4) D'autres antennes
Les principes de construction de l'invention peuvent être utilisés pour réaliser, tout en gardant un coût de fabrication réduit et en permettant une impédance usuelle pour l'antenne, des antennes avec des formes diverses, par exemples des antennes ayant la forme de monopoles, de dipδles ou de spirales, et en particuliers de telles antennes d'une longueur électrique de plusieurs longueurs d' ondes.
D'autres formes d'antennes, et notamment des antennes souples et déformables, peuvent aussi être réalisées.
En particulier, on pourra combiner plusieurs antennes selon l'invention pour réaliser des antennes avec des propriétés de directivité ou d' omnidirectionnalité souhaitées. Par exemple, il sera possible de réaliser des réseaux d'antennes (« antenna arrays » dans la littérature anglo-saxonne) de la manière suivante : - juxtaposition de plusieurs antennes (avec par exemple une partie de ces antennes ou la totalité de ces antennes étant des antennes selon l'invention)
- alimentation de cette pluralité d'antenne à partir d'un point commun, en utilisant des techniques classiques de lignes de transmission et/ou de réseaux déphaseurs
Dans la réalisation de ces réseaux d'antennes, on pourra notamment utiliser des configurations géométriques telles que les suivantes : disposition des antennes avec des axes substantiellement parallèles disposition des antennes avec des axes substantiellement concourants
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 filaires de dimensions réduites, et notamment 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 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)
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 voisine 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) L'antenne conventionnelle en hélice fonctionnant en mode axial
A.2.2.1) 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 (voir Figure 2) : un élément rayonnant (CY) constitué d'un fil bobiné en une hélice cylindrique d'axe (AX), dont le nombre de tours peut typiquement varier de 1 à plus de 10 et la circonférence extérieure (CX) est voisine de la longueur d'onde (LO) dans la gamme des fréquences utiles
- un point d'alimentation de l'antenne (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 de l'antenne (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), c'est à dire dans l'axe de l'antenne et orienté dans la direction de l'élément rayonnant (CY) par rapport au point d'alimentation (PA) de l'antenne.
A.2.2.2) D'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 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, avec les adaptations nécessaires que l'homme de l'art maîtrise.
La Référence 6 indique que si le plan de masse (PM) est d'une taille inférieure à un seuil, le rayonnement de l'antenne est toujours dans l'axe de l'antenne, mais orienté dans la direction opposée à l'élément rayonnant (CY) par rapport au point d'alimentation (PA) de l'antenne (le rayonnement se fait alors dans le sens de l'axe (AY) de la Figure 17. Un tel mode de rayonnement pour une antenne en hélice fonctionnant en mode axial est appelé mode
« backfire » dans la littérature anglo-saxonne.
La Référence 5 indique que le plan de masse (PM) peut même être totalement supprimé dans une antenne en hélice fonctionnant en mode axial dit « backfire ».
La Figure 18 décrit une variante du mode « backfire » sans plan de masse : dans cette variante, le point d'alimentation (PA) de l'antenne est relié électriquement à une surface conductrice (PM) substantiellement perpendiculaire à l'axe (AY), qui est donc situé dans une position de celle qu'occuperait un plan de masse (PM) de taille réduite dans une variante telle que celle décrite en Figure 17.
La Figure 16 décrit une variante d'antenne- selon l'invention dans laquelle l'antenne est dotée d'une paroi (SM) essentiellement annulaire, s' étendant autour de l'élément rayonnant (CY) et sensiblement orientée selon l'axe de l'antenne. Une telle paroi (SM) peut être réalisée par des moyens quelconques tels que surfaces conductrices, ensemble ou grillage de fils conducteurs du monet qu'elle présente une continuité électrique suffisante dans la gamme de fréquences utiles, et a une influence sur la directivité de l'antenne.
Une antenne en hélice peut fonctionner dans d'autres modes que le mode axial, qu'il soit conventionnel ou « backfire », par exemple le mode normal. Toutefois, dans le présent document, la mention d'une « antenne en hélice » signifie, sauf mention contraire « antenne en hélice fonctionnant en mode axial » ; que ce soit en mode conventionnel ou en mode « backfire ».
A.2.3) L'antenne en hélice fonctionnant en onde lente
A.2.3.1) Le principe général de lrhélice 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 diélectrique (hélice filaire conventionnelle ; voir Figure 2) b) l'hélice est constituée de spires ayant une impédance et une capacité distribuées bien définies, c'est à dire qui constituent une ligne de transmission ayant une impédance et une vitesse de propagation de l'onde bien 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 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 dépend pas de la technologie utilisée pour la mise en œuvre de l'onde lente.
A.2.3.2) Exemple d'antenne en hélice fonctionnant en onde lente selon la Référence 2
Dans l'antenne de la Référence 2, les spires (SLl-
SL2), ... de l'hélice sont constituées par une ligne de transmission ayant une inductance distribuée par unité de longueur (L) et une capacité distribuée 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 (SLl), (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 distribuées: - 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.2.3.3) Exemple d'antenne en hélice fonctionnant en onde lente selon la Référence 3
Dans la Référence 2, un fonctionnement on onde lente est supposé et constaté au vu des réductions de dimensions obtenues . Le fonctionnement en onde lente 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 distribuée n'est indiquée.
La Référence 3 montre qu'avec l'utilisation d'une 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.2.3.4) 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 antenne comprenant au moins un élément rayonnant (CY) allongé comportant au moins une hélice primaire (HPR) formée par un conducteur filaire (CO) agencé selon la forme d'une hélice qui présente en chaque point un axe sensiblement confondu avec la direction d'allongement de l'élément rayonnant (CY) allongé, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens associés au conducteur filaire (CO) de l'antenne qui augmentent significativement la capacité électrique distribuée par unité de longueur de l'hélice primaire (HPR) pour un nombre significatif de spires de l'hélice primaire (HPR).
On constate expérimentalement que l'ajout de capacité distribuée à une hélice primaire (HPR) permet d'obtenir à une fréquence voisine de 2,4 Ghz l'ensemble des caractéristiques suivantes : 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) pour une hélice bobinée avec les caractéristiques suivantes : i. fil métallique de 0,6 mm de diamètre recouvert d'un isolant en chlorure de polyvinyle (PVC) pour un diamètre extérieur total de 1,3 mm environ ii. bobinage de l'hélice primaire à spires jointives (avant courbure de cette hélice) sur un mandrin d'un diamètre de 1,5 mm de diamètre environ iii. hélice de 3 tours d'une hauteur totale de 26 mm, bobinée à partir d'une hauteur de 7 mm, d'un diamètre extérieur total de 21,5 mm et placée sur un plan de masse carré de 25 mm de côté iv. optionnellement entourée d'un cylindre extérieur de chlorure de polyvinyle (PVC) pour un diamètre extérieur total de 26 mm environ 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 c) Une polarisation voisine de la polarisation circulaire On constate expérimentalement aussi que la miniaturisation peut être poussée plus loin, et que l'ajout de capacité distribuée à une hélice primaire (HPR) permet d'obtenir à une fréquence voisine de 3,3 Ghz l'ensemble des caractéristiques suivantes : a) une réduction de la circonférence extérieure de l'hélice à 7 mm pour une hélice bobinée avec les caractéristiques suivantes : i. fil métallique de 0,05 mm de diamètre recouvert d'un isolant en polyuréthane d'une épaisseur de 5 à 10 microns, bobinés sur un fil conducteur d'un diamètre de 0,25 mm entouré d'un isolant en chlorure de polyvinile (PVC) d'un diamètre extérieur total de 0,5 mm, pour un diamètre extérieur total de l'élément rayonnant de 0,6 mm environ ii. hélice de 3 tours d'une hauteur totale de 20 mm, bobinée avec au niveau du point d'alimentation de l'antenne, pas de plan de masse, mais un une surface conductrice substantiellement perpendiculaire à l'axe iii. connexion électrique du point d'alimentation de l'antenne au reste du circuit électrique au moyen d'un conducteur électrique passant l'intérieur de l'hélice b) une impédance d'entrée compatible celle d'une hélice conventionnelle fonctionnant en mode axial, ce qui rend l'utilisation de l'antenne selon l'invention très facile dans l'environnement technique usuel c) Une polarisation voisine de la polarisation circulaire dans l'axe de l'antenne A.2.3.5) Les différents paramètres qui interviennent dans l'optimisation de lrantenne selon l'invention
La discussion précédente a montré que pour disposer d'une antenne aussi miniaturisée que possible et d'impédance usuelle (quelques centaines d'ohms au maximum), il était nécessaire de à la fois de : a) maximiser le produit LC de l'inductance distribuée L et de la capacité distribuée C (produit qui détermine le facteur de ralentissement de l'onde dans l'antenne) b) minimiser autant que possible le quotient L/C de ces mêmes quantités (quotient qui conditionne l'impédance de 1' antenne)
On voit donc l'importance de disposer d'une capacité distribuée C aussi grande que possible. Malheureusement : il s'avère facile d'augmenter l'impédance distribuée L, par exemple en augmentant le nombre de tours par unité de longueur de l'hélice primaire
- il s'avère moins facile d'augmenter la capacité distribuée pour les raisons suivantes :
. la miniaturisation souhaitée réduit l'ensemble des dimensions de l'antenne, ce qui réduit mécaniquement d'autant les surfaces disponibles pour réaliser des capacités distribuées par unité de longueur de l'élément rayonnant
. la réduction extrême des épaisseurs d'isolant utilisées entre les éléments qui forment les capacités distribuées se heurte en pratique à des limites : des épaisseurs d'isolant de quelques microns semblent interférer de manière négative dans le phénomène de conversion du signal électrique en onde électromagnétique lorsque ces épaisseurs séparent des surfaces de grandeur appréciables Dans ce contexte, des techniques particulières ou spécifiques d'ajout de capacité distribuée doivent donc être trouvées .
A.2.3.6) Les différents moyens d'ajout de capacité distribuée
Un ajout de capacité distribuée par unité de longueur de l'hélice primaire (HPR) 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
Cas 4) Bobinage de l'hélice primaire le long d'un fil conducteur en hélice, ce fil. conducteur n'étant pas connecté de manière matérielle à la masse électrique de l'antenne
Cas 5) Enroulement de l'hélice primaire autour d'un mandrin contenant un conducteur, ce conducteur n'étant pas connecté de manière matérielle 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 (SPl) 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 distribuée 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 (SIl) et (SI2), et l'isolant (IS) est disposé de manière substantiellement continue. 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 distribuée 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 distribuée 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 (CM) bobiné le long de l'hélice 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 distribuée complémentaire est recherchée, par opposition à l'antenne décrite dans la Référence 2 pour laquelle la capacité distribuée entre les spires de l'antenne et la masse était la seule capacité distribuée disponible.
La Cas 3) ci-dessus est une variante du Cas 2) décrit ci-dessus : le conducteur (CM) relié à la masse est à l'intérieur de l'hélice primaire (HPR) au lieu d'être le long de cette hélice primaire (HPR) .
Dans les cas 2) et 3) décrits ci-dessus, la connexion à la masse électrique peut se faire directement ou par l'intermédiaire de résistances ou de composants capacitifs ou inductifs, avec un effet sur les caractéristiques de l'antenne qui dépend de la valeur de la résistance ou du composant capacitif ou inductif.
Le conducteur électrique décrit mentionné ci-dessus peut aussi dans les cas 4) et 5) ne pas être relié à la masse électrique de manière matérielle. On remarquera que, à des fréquences supérieures à 1
Ghz, la distinction entre les cas 2) et 3) d'une part et les cas 4) et 5) d'autre part n'est pas une distinction très nette, en raison des capacités parasites et de leur faible impédance à ces fréquences (par exemple, une capacité parasite de l'ordre de 1 pf (picofarad) représente à 2,4 Ghz une impédance inférieure à 100 ohms.
Par ailleurs, le conducteur (CM), qu'il soit relié ou non a la masse, peut être inséré uniquement dans une partie de l'hélice primaire (HPR), ou bien deux conducteurs
(CM) de caractéristiques différentes peuvent être insérés dans deux parties différentes de l'hélice primaire (HPR) .
Par ailleurs, on observe que l'élément rayonnant (CY) rayonne aussi lorsque l'hélice primaire (HPR) est recouverte en tout ou partie par une surface conductrice.
Lorsqu'une hélice primaire (HPR) contient un élément conducteur (CM) , cet élément peut : a) être inséré sur toute la longueur de l'hélice primaire (HPR) ou au contraire uniquement dans une partie de l'hélice primaire (HPR) b) ne pas dépasser de l'hélice primaire (HPR) ou au contraire dépasser de l'hélice primaire (HPR)
Enfin, selon la présente invention, lorsque l'hélice primaire (HPR) est bobinée avec du fil isolé, elle est bobinée de préférence avec des spires très rapprochées.
A.2.3.1) Les possibilités de réduction de la taille de 1'antenne selon la présente invention pour une antenne en hélice Dans les cas présentés ci-dessus, les dimensions de l'hélice sont inférieures 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 β
% 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 obtenues, sans toutefois atteindre celles de la Référence 2 c) aussi peu que possible de restrictions par rapport à une antenne en hélice conventionnelle pour ce qui concerne l'impédance ou la polarisation circulaire
A.2.3.8) Le rôle des fréquences de résonance pour une antenne selon la présente invention Le rôle des fréquences de résonance est important pour le dimensionnement d'une antenne selon la présente invention ; en particulier lorsque cette antenne est très miniaturisée, on observe les phénomènes généraux suivants : a) il existe typiquement des résonances dans la gamme de fréquences de travail souhaitées, et ces résonances peuvent être plus ou moins prononcées, selon la technique de construction de l'antenne (présence ou non d'un conducteur à l'intérieur de l'hélice primaire (HPR) notamment) b) ces résonances empêchent l'antenne selon l'invention de fonctionner comme une antenne en hélice fonctionnant en mode axial; par exemple, au voisinage d'une résonance, la polarisation peut se rapprocher d'une polarisation linéaire et l'effet de directivité est modifié ou disparaît. c) on peut même observer au voisinage d'une fréquence de résonance une perte très nette de directivité, l'antenne fournissant un signal d'amplitude sensiblement constante en fonction de son orientation par rapport à l'autre antenne utilisée pour communiquer ; dans un environnement correspondant à un environnement de vie quotidienne, comprenant divers éléments métalliques pouvant influencer la propagation des ondes entre les deux antennes utilisées pour communiquer, on constate que cette variation, avec une antenne selon l'invention est significativement plus faible dans ce cas qu'avec une antenne monopole conventionnelle placée à la même position
Une telle situation est illustrée par la Figure 10 : la bande de fréquences utiles (FU) pour un fonctionnement en hélice en mode axial se situe en dehors et de préférence éloignée des résonances qui existent dans l'antenne (Rl, R2 ou R3) la bande de fréquences utiles pour un fonctionnement en mode omnidirectionnel est au contraire au voisinage de ces fréquences de résonance
On observe expérimentalement que l'introduction d'un conducteur à l'intérieur ou au voisinage très proche de l'hélice primaire (HPR), de manière générale, atténue les résonances de l'antenne, et notamment les résonances les plus intenses.
Les résonances de l'antenne peuvent être détectées à l'aide d'un analyseur de réseau scalaire ou vectoriel, tel que le HP8410, le HP8510 ou le HP8755.
A.2.3.9) Les possibilités d'amélioration de la directivité de l'antenne selon la présente invention II est possible de doter le plan de masse (PM) d'une extension perpendiculaire sous la forme d'un cylindre conducteur (SM) , typiquement de forme circulaire ou polygonale. Dans ce cas, le cylindre conducteur (SM), lorsqu'il est d'une hauteur et d'un écartement par rapport à l'hélice primaire (HPR) adaptés a un effet sur la directivité de l'antenne, et permet en particulier soit d'améliorer la directivité de l'antenne en réduisant ou supprimant des lobes secondaires distincts de l'axe, soit d'améliorer l'omnidirectionnalité de l'antenne en nivelant l'amplitude des lobes secondaires.
A.2.3.10) Le dimensionnement d'une antenne selon la présente invention
L'utilisation d'un simulateur en 3 dimensions tel que Ansoft Hfss (marques déposées) permet souvent d'obtenir des dimensionnements et des structures qui évitent ces résonances . L'utilisation d'un simulateur pour une antenne selon l'invention et très miniaturisée est toutefois rendue difficile par le fait que le fonctionnement du simulateur et les nombreux paramètres qui définissent une simulation doivent d'abord être validés par comparaison avec des résultats expérimentaux, car de nombreux phénomènes physiques et électriques interviennent dans la conversion du signal électrique en onde électromagnétique ou inversement dans l'antenne selon l'invention. En dehors de l'utilisation d'un tel simulateur, ou du calcul exact des caractéristiques d' inductance et de capacité distribuées de l'antenne, une mise au point est possible par essais et mesures successifs et classiques des caractéristiques de transmission et de résonance au moyen d'un analyseur de réseau scalaire ou vectoriel, tel que le HP8410, le HP8510 ou le HP8755.
A.2.4) Les diverses hélices primaires (HPR) réalisables selon l'invention Les principes définis ci-dessus correspondent à une gamme très large de structures et de modes de réalisation d'hélices primaires (HPR) selon l'invention. A titre d'exemple, on citera les cas de figures suivants :
Hélices primaires (HPR) sans conducteur disposé à 1 'intérieur: a) Utilisation de fil métallique de diamètre 0,6 mm entouré d'un isolant en PVC avec un diamètre extérieur total de 1,2 mm, bobiné à spires jointives sur un mandrin qui est enlevé après bobinage b) Utilisation de fil métallique de diamètre 0,40 mm entouré d'un isolant en vernis de polyuréthane avec un diamètre extérieur total de 0,43 mm, bobiné à spires jointives sur un mandrin qui est enlevé après bobinage c) Utilisation de fil métallique de diamètre 0,20 mm entouré d'un isolant en vernis de polyuréthane avec un diamètre extérieur total de 0,23 mm, bobiné à spires jointives sur un mandrin qui est enlevé après bobinage (4,5 tours environ au millimètre)
Dans les cas b) et c) ci-dessus, un complément de rigidité mécanique peut être apporté en induisant l'extérieur ou la totalité de l'hélice ainsi formée par un vernis ou un produit isolant ; selon la constante diélectrique du vernis ou du produit utilisé, un complément de capacité distribuée peut aussi être apporté en utilisant cette méthode . Des fils émaillés plus fins (par exemple diamètre du conducteur de 0,05 mm ou plus fin) peuvent aussi être utilisés .
Hélices primaires (HPR) avec conducteur disposé à l 'intérieur: d) , e) et f) : les mêmes hélices primaires que pour les cas a) , b) et c) ci-dessus dans lesquelles un fil souple, isolé ou non, est disposé au centre de l'hélice ; ce conducteur peut être voisin du diamètre intérieur de l'hélice ou au contraire de diamètre très inférieur, et son placement exact est peu critique g) , h) et i) : les mêmes hélices primaires que pour les cas a) , b) et c) ci-dessus qui sont bobinées sur un mandrin conducteur (isolé ou non, souple ou rigide) , qui est conservé après bobinage On remarquera que les différentes hélices primaires
(HPR) décrites peuvent être réalisées facilement avec des techniques et des méthodes connues de bobinage, ou des adaptations simples de ces techniques et méthodes. Par ailleurs, il est possible de réaliser des hélices primaires (HPR) dont la rigidité mécanique ou au contraire la souplesse peut être facilement pré-définie, par exemple : a) pour réaliser des hélices primaires (HPR) qui possèdent une rigidité mécanique suffisante pour conférer une forme déterminée à l'élément rayonnant (CY), il sera possible d'utiliser des fils suffisamment rigides pour le conducteur filaire (CO) ou le conducteur (CM) b) pour réaliser des hélices primaires (HPR) qui possèdent une souplesse suffisante pour permettre une déformation de l'élément rayonnant (CY) dans toutes les directions de l'espace conférer une forme déterminée à l'élément rayonnant (CY), il sera possible d'utiliser des fils suffisamment souples à la fois pour le conducteur filaire (CO) et le conducteur (CM)
A.2.5) Les divers types d'éléments rayonnants (CY) réalisables selon l'invention
Les hélices primaires (HPR) réalisables selon l'invention permettent de réaliser facilement et de manière peu coûteuse divers types d'éléments rayonnants (CY). On pourra par exemple distinguer : a) les éléments rayonnants (CY) dont la longueur mécanique est de l'ordre de la longueur d'onde électrique dans l'élément rayonnant (CY) b) les éléments rayonnants (CY) dont la longueur mécanique est de l'ordre de plusieurs fois la longueur d'onde électrique dans l' éléments rayonnant (CY), et éventuellement plusieurs dizaines de fois cette longueur d' onde électrique c) les éléments rayonnants (CY) constitués en majeure partie par l'hélice primaire (HPR) d) les éléments rayonnants (CY) constitués par une combinaison d'une hélice primaire (HPR) et d'un autre élément rayonnant, par exemple une surface conductrice couplée électriquement ou par proximité à l'hélice primaire (HPR) e) les éléments rayonnants (CY) dans lesquels l'hélice primaire est recouverte en tout ou partie par une surface conductrice f) les éléments rayonnants (CY) reliés électriquement au générateur de signal électrique, et les éléments rayonnants (CY) reliés de manière capacitive ou inductive au générateur de signal électrique, par exemple au moyen- d'une partie de l'hélice primaire (HPR) située au voisinage d'une ligne conductrice reliée au générateur de signal électrique
METHODES DE MISE EN OEUVRE
B.l) LES VARIANTES DE MISE EN ŒUVRE POUR UNE ANTENNE AYANT SUBSTANTIELLEMENT UNE FORME EN HELICE B.1.1) Les principales variantes de l'invention
Les variantes dans la mise en œuvre de l'invention pour des antennes en hélice substantiellement cylindrique ou substantiellement conique dépendent principalement des éléments suivants : a) le nombre de tours de l'hélice b) la méthode d'ajout de la capacité distribuée c) la protection de l'antenne selon la présente invention d) la méthode de fabrication de l'hélice primaire (HPR) B.1.2) Le nombre de tours de l'hélice
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.
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 œuvre ne pose pas de problème à l'homme de l'art.
B.1.4) La protection de I'1antenne selon la présente invention 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 (SU) constituée par un matériau diélectrique.
Pour faciliter la fabrication de l'antenne selon la présente invention, cette surface (SU) pourra aussi contribuer à maintenir mécaniquement de manière rigide l'antenne. Par exemple : - l'antenne pourra avoir une circonférence extérieure cylindrique et la surface (SU) une circonférence intérieure cylindrique égale à la circonférence extérieure de l'antenne.
- la surface (SU) sera fixée rigidement par rapport au 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 (SU) . Dans le cas d'une antenne dont l'hélice primaire (HPR) est bobinée avec du fil isolé et avec des spires très proches ou jointives, la rigidité mécanique de la structure constituée par l'hélice primaire (HPR) s' appuyant sur la surface (SU) est suffisante pour un usage grand public, et il suffira de fixer de manière rigide à la surface (SU) l'extrémité de l'antenne opposée au point d'alimentation (PA) pour disposer de manière simple et économique d'une antenne dont la rigidité est adaptée à un usage grand public.
Par ailleurs, lorsque la surface (SU) possède une épaisseur appréciable par rapport à la longueur d'onde de la fréquence utile (FU) (par exemple de l'ordre de 2 mm ou plus à la fréquence de 2,4 Ghz et pour une hélice de diamètre extérieur de 20 mm environ) , cette surface (SU) constitue une charge électrique pour l'antenne qui ne peut plus être négligée. Pour les antennes en hélice conventionnelles, une telle charge électrique est généralement évitée. Dans le cadre de la présente invention lorsque du fil isolé est utilisé, au contraire, une telle charge peut être particulièrement bénéfique si les caractéristiques électriques de l'isolant de la surface (SU) et celles de l'isolant (IS) du fil isolé utilisé pour bobiner l'hélice primaire (HPR) sont égales ou voisines. B.1.5) La méthode de fabrication de l'hélice primaire (HPR) de l'antenne selon la présente invention
Les descriptions précédentes portaient sur des réalisations de l'antenne avec des fils disposés dans l'espace à trois dimensions. On remarquera que des techniques de fabrication utilisant des techniques de photogravure, telles que par exemple les techniques de réalisation des circuits intégrés, permettent la réalisation d'éléments allongés et réaliser de tels éléments allongés à la fois dans des plans horizontaux, mais aussi dans des plans verticaux. Il est donc possible de réaliser avec de telles techniques des antennes selon l'invention. On remarquera à ce sujet que les techniques actuelles de fabrication des circuits intégrés utilisent de nombreuses couches horizontales, reliés entre elles par des connexions verticales, et que ces connexions peuvent avoir des caractéristiques d'impédance et de capacité distribuées bien contrôlées, ce qui est favorable à la réalisation d'antennes miniaturisées selon l'invention.
B.2) LES VARIANTES DE MISE EN ŒUVRE POUR UNE ANTENNE AYANT UNE FORME AUTRE QUE L'HELICE
Différentes variantes existent pour des antennes selon l'invention qui ont une forme autre qu'une hélice; diverses variantes de mise en œuvre de l'invention ont été décrites précédemment.
On peut citer à titre de complément de variantes déjà décrites les éléments suivants : a) antennes dont les éléments rayonnants (CY) ont une longueur électrique de l'ordre de la longueur d'onde des fréquences utiles; ces antennes peuvent facilement être résonantes sur des bandes de fréquences étroites, de l'ordre de quelques pourcents b) antennes de forme linéaire (voir notamment la section 6-8 de la Référence 1) ou de forme proche d'une forme linéaire dont les éléments rayonnants (CY) ont une longueur électrique de l'ordre de plusieurs fois la longueur d'onde des fréquences utiles, et éventuellement plusieurs dizaines de fois cette longueur d'onde électrique ; ces antennes sont généralement non résonantes ou faiblement résonantes sur des gammes de fréquences larges
Des antennes du type a) ci-dessus peuvent être par exemple réalisées avantageusement en disposant une hélice primaire (HPR) selon l'invention autour ou le long d'un conducteur, relié ou non à la masse. Il peut être avantageux dans ce cas (et dans d'autres cas aussi) d'utiler une hélice primaire de section substantiellement allongée, afin réduire la surface de chaque spire de l'hélice primaire (HPR) pour un périmètre constant de ces spires ; en effet, en première approximation, l'inductance de chaque spire est liée à la surface de la spire, tandis que la capacité entre spires successives est liée au périmètre des spires.
Les antennes du type b) ci-dessus ont plusieurs points communs avec les hélices en hélice fonctionnant en mode axial : ces deux types d' antennes ont une longueur électrique qui est significativement supérieure à la longueur d'onde des fréquences utiles (par exemple 3 à 5 fois la longueur d'one des fréquences utiles) - le fonctionnement de ces deux types d' antennes repose sur l'établissement d'une onde progressive dans l'élément rayonnant (voir Référence 1 notamment) - les deux types d'antennes sont directives et la direction de leur maximum d'amplitude est voisine :
. le maximum d'amplitude d'une hélice fonctionnant en mode axial est dans l'axe de l'hélice . le maximum d'amplitude d'une antenne linéaire dont la longueur électrique est de plusieurs longueurs d'ondes est proche de l'axe de l'hélice
De plus, une antenne linéaire dont la longueur électrique est de plusieurs longueurs d'ondes peut voir dans le cadre de la présente invention sa forme modifiée en une forme d'hélice tout en gardant substantiellement les caractéristiques indiquées ci-dessus
Dans ce contexte, il apparaît que les antennes en hélice fonctionnant en mode axial d'une part, et les antennes linéaires dont la longueur électrique est de plusieurs longueurs d' ondes peuvent présenter des caractéristiques de directivité voisines pour un utilisateur.
Par ailleurs, une antenne selon l'invention peut être composée de la juxtaposition de plusieurs antennes selon l'invention. Par exemple, il peut être avantageux pour des raisons de symétrie du digramme de rayonnement de juxtaposer deux antennes selon l'invention pour réaliser une antenne mécaniquement semblable à un dipôle conventionnel, obtenue en plaçant mécaniquement et de manière substantiellement symétrique par rapport à un centre deux antennes selon l'invention. Plus généralement, des réseaux d'antennes (« antenna arrays » dans la littérature anglo-saxonne) peuvent être réalisés en utilisant au moins une antenne selon l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne à onde lente comprenant au moins un élément rayonnant (CY) allongé comportant au moins une hélice primaire (HPR) formée par un conducteur filaire (CO) agencé selon la forme d'une hélice qui présente en chaque point un axe sensiblement confondu avec la direction d'allongement de l'élément rayonnant (CY) allongé, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens associés au conducteur filaire (CO) de l'antenne qui augmentent significativement la capacité électrique distribuée par unité de longueur de l'hélice primaire (HPR) pour un nombre significatif de spires de l'hélice primaire (HPR) .
2. Antenne filaire à onde lente selon la revendication 1 caractérisée en ce que le conducteur filaire (CO) de l'hélice primaire (HPR) possède une rigidité mécanique suffisante pour conférer une forme déterminée à l'élément rayonnant (CY).
3. Antenne filaire à onde lente selon la revendication 1 caractérisée en ce que le conducteur filaire (CO) de l'hélice primaire (HPR) possède une souplesse suffisante pour permettre une déformation de l'élément rayonnant (CY) dans toutes les directions de l'espace.
4. Antenne à onde lente selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les moyens qui augmentent significativement la capacité électrique par unité de longueur de l'hélice primaire (HPR) comprennent un diélectrique de constante diélectrique significativement supérieure à celle de l'air disposé de manière substantiellement continue au moins entre des spires consécutives de l'hélice primaire (HPR) .
5. Antenne à onde lente selon la revendication 4 caractérisée en ce que la distance entre spires consécutives de l'hélice primaire (HPR) est inférieure au diamètre de l'hélice primaire (HPR), et préférablement inférieure à la moitié du diamètre de l'hélice primaire (HPR), et encore plus préférentiellement inférieure au quart du diamètre de l'hélice primaire (HPR) .
6. Antenne à onde lente selon la revendication 4 caractérisée en ce que la distance entre spires consécutives de l'hélice primaire (HPR) est inférieure à 3 dixièmes de millimètre, et préférablement inférieure à 1,5 dixième de millimètre, et encore plus préférentiellement inférieure à 1 dixième de millimètre.
7. Antenne à onde lente selon la revendication 4, 5 ou 6 caractérisée en ce que le diélectrique disposé entre spires consécutives de l'hélice primaire (HPR) est inclus dans une gaine qui entoure l'hélice primaire (HPR).
8. Antenne à onde lente selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les moyens qui augmentent significativement la capacité électrique par unité de longueur l'hélice primaire (HPR) comprennent un conducteur (CM) disposé à l'intérieur de l'hélice primaire (HPR) .
9. Antenne à onde lente selon la revendication 8 caractérisée en ce que le conducteur (CM) disposé à l'intérieur de l'hélice primaire (HPR) possède une rigidité mécanique suffisante pour conférer une forme déterminée à l'élément rayonnant (CY).
10. Antenne à onde lente selon la revendication 8 caractérisée en ce que le conducteur (CM) disposé à l'intérieur de l'hélice primaire (HPR) possède une souplesse mécanique suffisante pour permettre à l'élément rayonnant (CY) d'être déformé dans toutes les directions de l'espace.
11. Antenne à onde lente selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que un diélectrique est disposé entre le conducteur filaire (CO) de l'hélice primaire (HPR) d'une part et d'autre part le conducteur (CM) disposé à l'intérieur de l'hélice primaire (HPR) .
12. Antenne à onde lente selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que : a) l'hélice primaire (HPR) est bobinée sur un mandrin diélectrique b) les moyens qui augmentent significativement la capacité électrique par unité de longueur l'hélice primaire
(HPR) comprennent une charge diélectrique incorporée au mandrin diélectrique, charge dont la constante diélectrique est très élevée, de préférence supérieure à 8.
13. Antenne à onde lente selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la surface extérieure de l'élément rayonnant (CY) allongé est entourée par une surface (SU) en matériau diélectrique.
14. Antenne à onde lente selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la surface intérieure de l'élément rayonnant (CY) allongé repose sur une surface (SU) en matériau diélectrique.
15. Antenne à onde lente selon la revendication 13 ou 14 dans laquelle la surface (SU) en matériau diélectrique contribue à maintenir mécaniquement de manière rigide l'élément rayonnant (CY) allongé.
16. Antenne à onde lente selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément rayonnant (CY) allongé est disposé, au moins en partie, sur une surface de révolution (SR) .
17. Antenne à onde lente selon la revendication 16 caractérisée en ce que la surface de révolution (SR) sur laquelle est disposé au moins en partie l'élément rayonnant (CY) allongé est, au moins en partie, un cylindre.
18. Antenne à onde lente selon la revendication 16 caractérisée en ce que la surface de révolution (SR) sur laquelle est disposé au moins en partie l'élément rayonnant (CY) allongé est, au moins en partie, un cône.
19. Antenne à onde lente selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les fréquences de résonance de l'antenne sont ajustées par rapport à une gamme donnée de fréquences pour obtenir dans cette gamme donnée de fréquences substantiellement les mêmes propriétés de rayonnement qu'une antenne conventionnelle en hélice fonctionnant en mode axial.
20. Antenne à onde lente selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rayonnement de l'antenne est principalement dans selon l'axe de l'antenne et orienté dans la direction (AY) opposée à l'élément rayonnant (CY) par rapport au point d'alimentation (PA) de l'antenne.
21. Antenne à onde lente selon la revendication 20, caractérisée en ce que l'antenne n'a pas de plan de masse.
22. Antenne à onde lente selon la revendication 21, caractérisée en ce que le point d'alimentation (PA) de l'antenne est relié électriquement à une surface conductrice (PC) substantiellement perpendiculaire à l'axe (AY).
23. Antenne à onde lente selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rayonnement de l'antenne est principalement dans selon l'axe de l'antenne et orienté dans la direction (AX) de l'élément rayonnant (CY) par rapport au point d'alimentation (PA) de l' antenne.
24. Antenne à onde lente selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'hélice primaire (HPR) est de section substantiellement allongée.
25. Antenne à onde lente selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'antenne est dotée d'une paroi essentiellement annulaire, s' étendant autour de l'élément rayonnant (CY) et sensiblement orientée selon l'axe de l'antenne, d'une hauteur et d'un écartement par rapport à l'élément rayonnant (CY) adaptés pour améliorer la directivité de l'antenne.
26. Antenne à onde lente selon- l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément rayonnant (CY) a une longueur électrique supérieure à trois fois la longueur des ondes électromagnétiques qu'elle transmet ou reçoit, et de préférence une longueur électrique supérieure à cinq fois cette longueur des ondes, et encore plus préférentiellement une longueur électrique supérieure à huit fois cette longueur des ondes.
27. Antenne à onde lente caractérise en ce que l'antenne est une antenne mécaniquement semblable à un dipôle conventionnel, obtenue en plaçant mécaniquement et de manière substantiellement symétrique par rapport à un centre deux antennes selon l'une quelconque des revendications 1 à 26.
28. Antenne obtenue en disposant plusieurs antennes élémentaires en réseau d'antennes, alimentées à partir d'un point commun, caractérisée en ce que au moins une antenne élémentaire est une antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 26.
29. Antenne obtenue en disposant plusieurs antennes élémentaires en réseau d'antennes, alimentées à partir d'un point commun, caractérisée en ce que l'antenne est obtenue en disposant plusieurs antennes, dont au moins une selon l'une quelconque des revendications 1 à 26, de manière substantiellement parallèle.
30. Antenne obtenue en disposant plusieurs antennes élémentaires en réseau d'antennes, alimentées à partir d'un point commun, caractérisée en ce que l'antenne est obtenue en disposant plusieurs antennes, dont au moins une selon l'une quelconque des revendications 1 à 26, selon des axes substantiellement concourants en un point commun.
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