Brevet FR2063949A1 — publié le 19710716

" 2063949 L'invention a pour objet une antenne, directionnelle pour l'émission et la réception d'ondes électromagnétiques ultra-courtes, arec une ou plusieurs structures retardatrices disposées à. l'avant d'un système d'alimentation, et sur lesquelles Isa 5 ondes électromagnétiques se propagent à une vitesse plus lente que la vitesse de la lumière. Des antennes de ce genre sont connues notamment sous le nom d'antennes "Yagi* ou d'antennes à disques conducteurs (c.f. par exemple "Bundelung eleJctrischer Wellen dur eh Leits-10 ciieiben* Zeitschri.ft fur angewandte Ehysik, Tome YI, fascicule 10,1965» pages 462-4-70). Pour que le gain de l'antenne soit satisfaisant, un grand nombre de dipôles est nécessaire, et les dimensions de l'antenne deviennent excessives. On connaît depuis quelque temps des antennes dites 15 "backfire" comprenant deux réflecteurs entre lesquels sont placés un élément d'alimentation et des structures retardatrices, dispositif grâce auquel une partie au moins des ondes rayonnées par l'élément d'alimentation est réfléchie sur les réflecteurs placés aux deux bouts de l'antenne, tandis que la majeure partie 20 de 1 'énergie est rayonnée à une extrémité de l'antenne (brevet allemand 1.167,920. On connaît aussi une forme raccourcie d'antenne "baekfire" dans laquelle il n'y a plus de structure retardatrice mais seulement un élément d'alimentation entre les deux réflec-25 teurs (Proceedings of the IEE, val.53» n°8, 4oÛt 1965, pages 1138-4-0}. L'objet de la présente invention est de perfectionner nue antenne de oe genre de façon à obtenir avec on nombre réduit de dipôles, un gain plus élevé qu'avec les antennes précitées, 30 et à. ce qu'on puisse s'en servir dans uns "bande de fréquences plus étendue. Jiana l'invention, cet objet est atteint sn utilisant comme système d'alimentation une cavité rayonnante dont l'axe de symétrie coïncide, dans le cas d'ans seule structure de re~ 35 tardement, avec l'axe longitudinal de celle-ci, et dans le cas de plusieurs structures, avec leur axe médian. En combinant le type court d'antenne "baekfire" avec une structure de retardement du. type ant&nns Tagi, ou, à disques conducteurs, l'invention procure une antenne directionaelle dont 40 le gain est nettement plus élevé que celui des antenaes connues 69 34524 2 2063949 de ce genre» Elle psrmet en outre des diagrammes ûlxostionnels d'un rayonnement rétrograde extrêmement réduit. C'est avant tout le fait que la structura ratardatri. ce est- eaeeit&e par un ^rstès® à9 alimentation compressât- ws. dipôle et deux réflecteurs qui permet d'obtenir un gain nettement plus élevé que celui des antennes conmes à rayonnement longitudinal du type KTsgi% qui ne comportent généralement qu'un. seul dipôle et un geul réflecteur". IiBas,tenne de 11 inventicm s à, la longueur de //2, a déjà un gain supérieur à celui d'une antenne ^Yagi" à la dimension optimale de 5^ de longueur. D'intéressantes variantes à. l'antenne de l'invention apparaîtront dans la description oi-après. L'invention et des détails sur ses avantages font l'objet des dessins schématiques et des exemples de réalisation qui les accompagnent. Les figs.l à. 5 donnent des exemples de structures d'une cavité rayonnante convenant particulièrement à. l'adjonction d'une structure retardatrice placée devant elleg nomme cela est prévu dans l'invention. Les figs.6 à 12 montrant divers moête-s ûe réalisation de l'invention, avec antennes directionnelles associées à des structures retardatrices. La cavité rayonnante représentée en fig^l se compose d'un réflecteur circulaire plan M, et d'un réflecteur E placé devant lui à une certaine distance et comportait Xiii-même trois tiges réflectrices. Les deux réflecteurs M. et E sont dans des plans perpendiculaires à X'ax© h. de l'antenne. ISntre E et R est placé un dipôle d'alimentation ]?. Le réflecteur S peut aussi être m aisque métallique d'une surface inférieure au dixième â® la surface du. réflseteur M. La longueur axiale L de la source rayonnante est égale à environ une-deai longueur d'onde. Le dipôle F qui l3alimente est d'ordinaire à égale distance de M et de E® ï&i modifiant son écartem&nt par rapport au milieu? ©a peut adapter au feeder la résistance d'entrée du dipôle. La directivité de la cavité rayonnante peut encore être améliorée sensiblement au moyen d'un rebord B large de 1/4 à. 1/2 longueur d'onde» placé à la circonférence au réflecteur. La cavité rayonnante de la fig®l, munie d'un ré£Xeet@ar- IL au diamètre de deux longueurs d'onde, et avec réglage optimal de tons lâs paramètres, procure im. gain de 15 dëei'bels -ss-jarati- -"retient 69 34524 3 2063949 à. une source rayonnante isotrope. Sur le diagramme de rayonnement de l'invention, tous les lobes latéraux sont décalés de plus de 20 décibels, et le rayonnement rétrograde de plus de 30 décibels, en-dessous du ma-srimnm dans la direction du rayon-5 nement principal. La qualité particulière de ces diagrammes tient en partie à la forme circulaire du réflecteur M, mais d'excellents diagrammes peuvent aussi être obtenus avec des réflecteurs carrés ou polygonaux, dont la fabrication est plus facile. Au lieu du réflecteur plan M, on peut aussi utiliser 10 un réflecteur à bord plié. On a constaté qu'il suffisait le plus souvent de ne prévoir de bordure B que dans la direction de polarisation du rayonnement. Aussi, une telle surface périphérique n'est-elle nécessaire que sur le3 bords parallèles au dipôle d'alimentation 15 dans le cas d'un réflecteur carré M associé à une cavité rayonnante polarisée linéairement ; et si le réflecteur M. est circulaire ou polygonal, ladite surface n'est requise que sur le bord de deux secteurs d'environ 90° opposés. 2outefois, en cas de polarisation circulaire ou elliptique, la surface en question doit 20 exister sur toute la périphérie du réflecteur M. La gamme de fréquences de la cavité rayonnante selon la fig.l est limitée principalement par la longueur de l'intervalle L. Si l'on prévoit la possibilité de modifier L par réglage axial du réflecteur S, on peut alors syntoniser- X*émettear 25 pour un gain mari iwm e»i- la totalité des fréquences couvertes par le dipôle d'alimentation. Quand on rappi'ûcme a de M, on syntonise -^t» hautes fréquences ; quand on écarte B. de I£t on syntonise sur basses fréquences. Si l*on défiait, comme on le fait assez couramment, comme marge d'utilisation de la cavité 30 de rayonnement la bande des fréquences en dedaa s de laquelle le gain de l'antenne 33t à. peu près proportionnel à la surface du réflecteur M, et oîi tous les lobes latéraux des diagrammes dans les plans B et H sont places à 10 décibels en—dessous du maximum, alors la largeur de bande de la cavité rayonnante 35 dimensionnée de façon optimale peur une fréquence donnée, est environ 1,3:1, bien que l'on puisse syntoniser sur gain maximal en faisant varier L en dedans de la gamme de fréquences 2sl. L'expérience a montré que, même lorsque est maintenue constante* il est possible d'atteindra une largeur 40 de bande d'environ 2tl si l'on diiaensionne le paramètre de 69 34524 4 2063949 cavité de façon optimale, pour différentes fréquences. Ceci a pu. être réalisé dans un cas concret oïl les réflecteurs I£ et E furent calculés à. leurs dimensions optimales pour la fréquence la plu* élevée de la gamme désirée, L. étant fixée aux 3/4 de 5 set ta fréquence. Une largeur cle bande encore plus grande est obtenue avec l'anteiti'iù représentée sa fig®2 qui comporte un troisième réflactsur 5 ayant à. pea geàs la forme et la grandeur du. réflecteur S, parallèle à' as dessaisi? st a9 en éceurc&at de longueur 10 à 1® extérieur de l^'iixiî^r-ïalle h. Btant âûimëe la aomplexitê des effets réciproques des divers, paramètres, a®est azpériffiSJi— talement qu'il faut dêtsraîiaer la valeur optimale & Bans un exemple de réalisation avec trois réflecteurs circulaires M, S, et S, les meilleurs résultats ont été obtenus sur une gamme de fréquences supérieure à 2:1 aux dimensions ci— dessous exprimées dans la longueur d'onde la fréquence la 20 plus élevée: diamètre du rlflest sur 2î 2 /. . £ 0,^0 A —— S 0.4? A laffgaur du. rabosâ jériciisrique 3 0 jf/A longueur de ■ss.Tité h. Q-S? À Jscajrkemsnt de S orè S & 0S1-J A L8ass@E grssâs laz-gsîir u3 bande ûa msdèls la figo2 peut s* 3ssplit.usii la. ssajonstion 5.-3 traie systèmes &i££é?$£Ë3 &8autsîiaa; àe^rfe cSi&oua était gré'-■■--ylv.er.y"' -laiis uns. gaame partielle de fréçjasajss., 23 Si l'os dégi«ri3 per la fréque:i^o la >Lis haut"; lsantenne fonctionne évasas earitê rayonnante jusCii:'5^ "CTiroîi 058 San efficacité -tiEinue lorsqjae la tsêqmz?-- e^ase» et les réflecteurs 1 si; S approalient de leurs âiasr-^iojas op'kW maies dir^oticnnelles 'fers On? £„ „ Dans ce-te 'g/mms- 5-s fr&cussoess " ' ii - 30 l's-rrt-enas fonctionna juscu^à. «m-arison 0,6 fv. c-Masa a myonneffi-ant loisgitaâiiiEl sryec de&s. directeur*:-. A".î f?é&ueiÀ&-s£ encore plus basses, S et S perdent leurs qualités dirs^tioimsllôg, -2tj iusqu'à 0,5 et au-dessous;? l'antenne travailla «tmqGQBeût d-jkss ç^ât-sîiaB à 2?éfl@ût'&a3?5 sTse 1s dipôle :-.tIc-n Ssf-rr- 69 34524 5 2063949 seul élément actif en avant du réflecteur M. La fig.3 représente une cavité rayonnante selon la fig.l formant un seul bloc sans partie saillante. La bordure B s'étend ici sur toute la longueur de cavité. P est mm plaque 5 diélectrique parallèle à M et rejoignant la bordure B. Bile porte en même temps le réflecteur E» Ge modèle constitue un ensemble parfaitement clos, qu'il est facile également de rendra résistant aux intempéries. Sa profondeur n'est que d'une demi-longueur d'onde. Un modèle expérimental construit selon le 10 schéma de la fig.3» couvert par une plaque en plexiglas, donne un léger gain supplémentaire et une légère réduction additionnelle des lobes secondaires. La fig.4 représente une cavité rayonnante d'une profondeur encore plus réduite. Le couvercle diélectrique P est 15 dans le môme plan que le dipôle d'alimentation IF, le réflecteur R étant la seule partie de l'antenne qui soit en dehors de cet ensemble clos. Ainsi que le montre la fig.5, il peut rejoindre le centre de la plaque P, ou encore être relié par deux, tiges Q à la surface en bordure B. Pour la polarisation linéaire, 20 les tiges Q, si elles sont en métal, deirent être dirigées perpendiculairement au sens de la polarisation (Q, si celle-ci est verticale; si elle est horizontale), et être en une matière non conductrice si la polarisation est circulaire. Bans le montage d'une antenne directionnelle conforme 25 à l'invention, chacun des modèles décrits peut s'associer à tout type connu de structure retardatrice, par exemple à un dipôle , à une antenne à. disque ou hélicoïdale, ou à une tige diélectrique. La fig.6 représente un premier exemple d'antenne 30 conforme à l'invention. La cavité rayonnante de la fig.l est ici associée à une structure retardatrice B qui» comme dans l'antenne courante du type "Yagi", comporte une série de directeurs d'ondea. Pour simplifier le dessin, les intervalles séparant les réflecteurs, le dipôls d'alimentation et les direc-35 teurs ont été choisis égaux, de aorte que le dipôle et le réflecteur M £ ont placés au même endroit que 1s dipfile d'alimentation et le réflecteur cLLpSle d'une antesaa cls !rïagi!S. Le réflecteur E remplace le premier direct sur d*un mcirtags de uYagi w. 4ù Le gain du présent asseciblage croît avec l'allonge» -ment 69 34524 6 2063949 cis la striwtîsf® swtâma'ferie© Bg aa vitesse optimal® cte phase diffère de celle d'une antenne à rayonnement longitudinal ordinaire de' mfese longueur* Sain et diagrammes sont aa peu. améliorés si les directeurs T- sont raccourcis de la façon habituelle» de dipôle en dipôle, es. direction de 1'extrémité rayonnante de 1* antenne» lia disposition horizontale du dipôle d'alimentation ¥s en fig^S, indique que cette antenne est conçue pour la polarisation horizontale* En. vue de la polarisation verticale, tous les dipôle s doivent s'étendre en direction verticale. Pour tous les autres angles de polarisation» il vaudrait mieux utiliser pour l'alimentation un dipôle croisé» et comme réflecteur R, un disque ayant un diamètre d'environ une demi-longueur d'onde» et il faut que la structure retardatrice se compose de dipôles croisés» ou sinon quralXa sait adaptée à. la polarisation prévue. L'antenne de 1 'invention peut être raccourcie sans diminution de son gain» à condition de prévoir, en avant de la cavité rayonnante, deux ou. plusieurs structures d@ retardement» qui peuvent Être ïalses las unes au-dessus des autre s * ou juxtaposées. La fige? représente an montage de ee genre avec deux structures ©t placéea l'une au-dessus de l'autre, un réflecteur M de forme carrée et ne comportant de surfaces en bordure que sur* les côtés. orientés dans le sens de 1s polarisation. F est un dipôla & large bande de type connu. Las deux structures de retardement et Bp sont alimentées directement à partir de l1 ouverture de la cavité rayonnante qui elle-même n'est excitée que par un seai feeder ï. Si l*on dispose les deux structures retardatrices X*une au-dessus de 1 'autre, ou l'un© à. côté de 14autre» la lsrgeur du lobe principal du diagramme de rayonnement se réduit dans le plan K ou dans le plan Ej sans se modifier sensiblement dans le plan B ou dana le plan H» La juxtaposition simultanée de deux ou de plusieurs . structures retardatrices, à. la fois verticalement et horizontalement, rétrécit le lobe principal dans les deux plana. En déplaçant les structures retardatrices à l'intérieur aême de l'ouverture de la source rayonnante, et en aeâifisnt leur vitssae de ptes®, ©a peut faire varier la configuration des loues latéraux ainsi que le gain de la eavité à rayonnement longitudinal conforme à. l'invention erawate le montrent les figs» 8 è 12. 69 34524 7 2063949 Il importe de souligner que le dispositif précité, avec plusieurs structures retardatrices en avant de la cavité rayonnante, n'a rien de commun avec l'agencement connu le deux ou plusieurs "Yagi" en avant d'un réflecteur eommuix plan ou 5 replié. Dans ce dernier dispositif, la structure retardatrice de chaque Yagi est alimentée par an dipôle particalisr, ou M,îîi à chaque paire de Yagi correspond un dipôle double, et pour renforcer le couplage, lesdites structures doivent taujcurs précéder de très peu leurs dipôles respectifs. 10 Bar contre, avec la cavité à rayonnaient longitudi nal de l'invention, les deux structures Cou les multiples structures) sont alimentées à partir de l'ouverture de la source rayonnante, la cavité elle-même étant excitée par un fseder urJ, -que non couplé directement avec les structures retardatrices. 15 Les figs.8 à 10 représentent des exemples de monta ges des structures D pour antennes polarisées linéairement, et dans lesquelles les dipôles d'alimentation (ne figurant pas aux le schéma) sont disposés dans le sens de polarisation correspondant. Les figs.ll et 12 représentent des types a3aatennes 20 avec plusieurs structures retardatrices iriçjépfetiiismmènt des s«na de polarisation, et pour lesquels sont prévus des ôigôles crci-sés sans représentation plus précise. Dans une antenne conforme à. 1* invention, la longue ir-de la cavité doit être à. peu près égale à £«lii sieurs fcis une 25 demi-longueur d'onde, et les réflecteurs il et it doivent avoir une dimension telle que l'onde stationnais?* râg-jii&fiee nêi- d'une demi longueur d'onde de dj.aii.itre, une profondeur de ca\i;-? io L d'une demi longueur afunde, «5 una jn bar-dur-e d'enr'JL:.-:.":. un quart de longueur d'onde. 9» »/». 69 34524 8 2063949 Si le réflecteur M est agrandi, I» restant le môme, les lobes latéraux s'élèvent et le gain de l'antenne se remet à décroître. Si» par contre, I» est allongée d'une longueur d'onde entière, il fauts pour que le fonctionnement soit optimal et suzrtotrà pour améliorer le gaiB. de l'antenne, accroître aussi les dimeusicns du réflecteur M» 69 34524 9 2063949 REVENDICATIONS 1. Antenne directionnelle pour l'émission et la réception d'ondes électromagnétiques ultra-courtes, avec une ou plusieurs structures de retardement disposées devant un système d'alimentation, et sur lesquelles lesdites ondes se pro-5 pagent à une vitesse plus lente que la vitesse de la lumière, et caractérisée en ce qu'on utilise comme système d * alimentation une cavité rayonnante dont l'axe de symétrie coineide, dans le cas d'une seule structure de retardement, avec l'axe longitudinal de celle-ci, et dans le cas de plusieurs structures avec leur 10 axe médian. 2. Antenne directionnelle selon 1, caractérisée par une cavité rayonnante composée de deux réflecteurs entre lesquels se trouve un élément d'alimentation dont 1'écartement est fixé de façon qu'une partie au moins des ondes émises par cet élément 15 soit réfléchie par les deux réflecteurs, et que la majeure partie de l'énergie soit rayonnée à l'une des extrémités de l'antenne. 3. Antenne directionnelle selon 2, caractérisée en ce que, pour que le système d'alimentation puisse être syntonise, l'écart entre les deux réflecteurs et l'élément d'alimentation 20 est réglable. k. Antenne directionnelle selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que, entre le réflecteur placé dans la direction d u rayonnement et la ture de retardement est disposé un autre réflecteur de grandeur et de forme à peu 25 près égales. 5. Antenne directionnelle selon les revendications précédentes, caractérisée en ce que le réflecteur opposé à la direction du rayonnement a la forme d'une plaque réflectrice présentant, au moins dans le sens de la polarisation, et. sur une 30 partie au moins de sa périphérie, un pli orthogonal d'une largeur comprise entre 0,25 et 0,5/\. 6. Antenne directionnelle selon 5, caractérisée en ce que la plaque réflectrice est circulaire et a un diamètre d'environ 2 )\ . 35 7. Antenne directionnelle selon les revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux réflecteurs sont distants d'environ ^ /2. 8. Antenne selon les .revendications précédentes, caractérisée en ce que le système dfalimentation est placé dans 4O une enceinte qui le protège des intempéries. 9. Antenne directionnelle selon S, caractérisée en ce que l'ouverture du réflecteur à bord plié est fermée par une plaque diélectrique.