Brevet FR2429504A1 — publié le 19800118

La présente invention concerne des antennes en plaques à polarisation circulaire et à large bande. Les antennes en plaques ont déjà fait l'objet d'études et l'on sait, par exemple, qu'il est possible d'établir une équivalence entre la largeur d'une antenne plaque et le diamètre du brin circulaire d'un doublet. On peut trouver des données sur cette équivalence dans l'ouvrage de R.W.O. King intitulé "The theory of linear antennas" édité en 1956 par Harvard University Press, Cambridge, Mass., ou dans l'ouvrage de H. Jasik intitulé "Antenna engineering handbook" édité en 1961 par Mc Graw-Hill Hook Comp. Tnc. New York, NY. Par ailleurs, dans le brevet français 2 311 422, on a décrit un doublet replié en plaque à brin alimenté beaucoup plus large que le brin replié. Dans ce doublet, en plaque, le brin alimenté est constitué de deux demi-plaques larges symétriques séparées par une coupure relativement étroite et le brin replié est constitué par une plaque étroite, continue, d'une longueur égale à celle d'un brin alimenté et séparée des côtés adjacents des demi-plaques par un intervalle. Les extrémités de la plaque étroite longue sont respectivement réunies aux extrémités extérieures des demi-plaques. Le doublet est alimenté par une ligne suivant l'axe de symétrie des demi-plaques au voisinage de la coupure. La ligne d'alimentation est une ligne à bande. Un tel doublet a une bande passante de largeur importante. Il est polarisé linéairement. Un objet de la présente invention consiste à prévoir une antenne plaque à polarisation circulaire, qui utilise des éléments semblables à ceux qui sont utilisés dans le brevet français 2 311 422 et qui permette ainsi d'obtenir une antenne à large bande. Il est évidemment bien connu que, pour obtenir une antenne à polarisation circulaire, on peut utiliser deux antennes à polarisation linéaire que l'on croise orthogonalement et alimente en quadrature de phase. Toutefois, quand on tente de mettre en oeuvre ce principe avec le doublet replié décrit dans le brevet français 2 311 422, on se heurte à une impossibilité. Un autre objet de la présente invention consiste à prévoir un second doublet replié en plaques, analogue à celui qui est décrit dans le brevet français 2 311 422, mais qui puisse etre croisé avec un second doublet orthogonal. Suivant une cara ctéristique de la présente invention, il est prévu un doublet replié en plaques dans lequel le brin alimenté est constitué de deux demifplaques séparées par une coupure et alignées suivant le même axe, dans lequel le brin replié est également constitué de deux demi-plaques étroites, symétriques par rapport au centre de symétrie du brin alimenté et séparées des côtés adjacents des demi-plaques larges par un intervalle, les extrémités extérieures des demi-plaques étroites étant respectivement réunies aux extrémités extérieures des demi-plaques larges ajacentes, la coupure entre les demi-plaques larges étant relativement large. Suivant une autre caractéristique, les extrémités des demi-plaques étroites sont à la masse et les demi-plaques larges sont alimentées par l'intermédiaire d'une ligne à bande passant sous les axes de symétrie des plaques larges et étroites, une extrémité de la ligne à bande sous une première demi-plaque étroite étant alimentée par un signal et l'autre extrémité sous la seconde demi-plaque étroite étant alimentée par un second signal en opposition de phase avec le premier. Suivant une autre caractéristique, il est prévu une antenne à polarisation circulaire constituée par deux doublets qui viennent d'être définis, les doublets ayant même centre de symétrie, mêmes dimensions et étant décalés angulairement de 900 et alimentés en quadrature de phase. Suivant une autre caractéristique, les extrémités des demi-plaques larges dirigées vers le centre de symétrie ont une forme approximativement triangulaire de manière sur les axes de symétrie à réduire les distances entre les extrémités des demi-plaques larges appartenant au même doublet. Un réflecteur métallique (ou masse) permet de rendre le rayonnement unidirectionnel. Les caractéristiques de la présente invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est une vue en plan de la face avant d'une antenne suivant l'invention, montrant notamment l'élément rayonnant de celle-ci, la Fig. 2 est une vue en plan de la ligne d'alimentation de l'élément rayonnant de la Fig. 1, la Fig. 3 est une vue de côté de l'antenne de la Fig. 1, la Fig. 4 est une vue en plan de la face avant d'une antenne à polarisation circulaire, montrant notamment les éléments rayonnants de celle-ci, la Fig. 5 est une vue en plan de la ligne d'alimentation des éléments rayonnants de la Fig. 4, la Fig. 6 est une vue de côté de l'antenne de la Fig. 4, la Fig. 7 est une vue en plan de la face avant d'une variante de réalisation de l'antenne de la Fig. 4, et la Fig. 8 est une vue en plan de la face arrière de l'antenne de la Fig. 7. L'élément rayonnant de l'antenne de la Fig. 1 est un doublet qui comprend un brin alimenté formé de deux demi-plaques conductrices 1 et 2 séparées par une coupure 3, un brin replié formé de deux demi-plaques conductrices 4 et 5, et deux portions de liaisons 6 et 7 reliant respectivement, d'une part, 1 et 4, et, d'autre part, 2 et 5. D'un point de vue strictement structurel, chaque demi-plaoxe 1 ou 2 est en fait une véritable plaque sensiblement rectangulaire, symétrique par rapport à un axe de symétrie 8 commun, de longueur légèrement inférieure à la moitié de la longueur du doublet. Au milieu de la coupure 3, sur l'axe 8, se trouve un centre de symétrie 9.Chaque demi-plaque 4 ou 5 est une véritable plaque disposée parallèlement à la demi-plaque 1 ou 2 respectivement associée, dont la longueur est inférieure à celle des demi-plaques 1 et 2. Les plaques 4 et 5 sont symétriques par rapport au point 9. A leurs extrémités estérieures respectives, les plaques 4 et 5 sont réunies aux plaques 1 et 2 par les portions 6 et 7, également symétriques par rapport au point 9. En pratique, les plaques 1, 2, 4 et 5, ainsi que les liaisons 6 et 7, sont réalisées,suivant la technique connue des circuits imprimés, sur une carte isolante 10. Sur la carte 10, comme le montre la Fig. 2, est réalisée une ligne d'alimentation 11 en forme de S, symétrique par rapport au point 9, la partie centrale du S étant un segment droit passant sous l'axe 8. Les parties horizontales de la ligne 71 passent respectivement sous les axes de symétrie des liaisons 6 et 7. Enfin, à ses deux extrémités, la ligne 71 est terminée par des segments courts sous les axes de symétrie des plaques 4 et. La carte isolante 10 est collée sur une face d'une feuille diélectrique 12 de même dimension, mais sensiblement plus épaisse. De l'autre côté de la feuille 12, est collée une feuille métallique 13 qui sert de réflecteur. A travers les feuilles 13 et 12, perpendiculairement à la carte 10, en face des points 14 et 15 aux extrémités respectives de la ligne 11, passent deux câbles coaxiaux 16 et 17. L'ne du câble coaxial 16 est électriquement reliée au point 14, à un bout de la ligne 11, tandis que l'âme du câble coaxial 17 est reliée au point 15, à l'autre bout de la ligne 11. Le conducteur extérieur du câble coaxial 16 est relié, à la plaque 4, en face du point 14 tandis que le conducteur extérieur du câble coaxial 17 est relié à la plaque 5, en face du point 15. Les cIbles 16 et 17 sont alimentés en opposition de phase. Il en résulte que le point M de la ligne 11, en face du centre de symétrie 9, est un point neutre, qui peut éventuellement être relié au réflecteur 13 par un court-circuit métallique sans modification des caractéristiques radioélectriques. Au passage à travers le réflecteur 13, chaque cable 16 ou 17 a son conducteur extérieur relié électriquement au réflecteur. Entant donne la coupure 3, le long de laquelle, suivant l'axe 8, la ligne 11 ntest pas recouverte, celle-ci induit entre les bords 18 et 19 des plaques 1 et 2 une force électromotrice qui alimente ces plaques. Ainsi, les plaques 1 et 2 se trouvent alimentées pratiquement de la même manière que les demi-plaques larges du doublet replié décrit dans le brevet français NO 2 311 422. En fait, les bords 18 et 19 des plaques 1 et 2 pourraient être alimentés directement à l'aide d'un seul cIble coaxial comme dans le brevet français précité, mais la largeur rapportée à la longueur d'onde de la coupure 3 étant, dans le précédent doublet, beaucoup plus grande, il faut prévoir une compensation qui pourrait être complexe. C'est pourquoi on a prévu ici une alimentation "forcée" au moyen de deux câbles coaxiaux 16 et 17 alimentés en opposition de phase et disposés symétriquement. Pour assurer l'adaptation d'impédance de l'élément rayonnant, on a prévu, en parallèle sur la ligne 11, des capacités qui sont réalisées, d'une manière classique au moyen d'élargissements localisés en 20 et 21, symétriquement. On a indiqué, à la Fig. 1, les dimensions de l'élément rayonnant rapportées à la longueur d'onde moyenne dans le vide j o de la bande de fréquence qui, dans l'exemple particulier, correspond à la bande de télémétrie. La largeur d'un demi-doublet est de 0,21 Xo. La longueur hors tout du doublet replié est de 0,47 Xo. La carte 10, qui est de préférence en verre téflon d'une faible épaisseur de 0,8 mm, est située à 0,075 Ào du réflecteur 13. Le réflecteur 13 est circulaire avec un diamètre de 1,5 Ao. D'après les mesures effectuées sur le doublet de la Fig. 1 excité à des fréquences allant de 2,15 GHz à 2,4 GHz, c'est à dire dans une bande de fréquences ayant pour fréquence moyenne 2,25 GHz ce qui correspond à une longueur d'onde dans le vide Ao de tordre de 13 cm, le rapport d'ondes stationnaires ou R.O.S. de l'impédance de rayonnement rapportée à 50 ohms est inférieur à 3 dans cette bande de fréquence qui correspond à une variation de - 5,5 X autour de la fréquence moyenne. Dans cette bande de fréquences, en ce qui concerne les ouvertures des diagrammes de directivité à 3 dB dans les plans E et H, le taux de composante croisée CC dans l'axe de rayonnement principal et le gain isotropique linéaire G, on a obtenu les mesures résumées dans le tableau I ci-après.A noter encore que les pertes dans l'élément rayonnant restent inférieures à 0,5 dB. L'a'htenne à polarisation circulaire des Figs. 4 à 6 est constituée de deux doublets identiques à celui des Figs. 1 à 3, qui sont disposés orthogonalement et alimentés en quadrature de phase. Sur la Fig. 4, le premier doublet de l'antenne porte les mêmes références que celles du doublet de la Fig. 1 TABLEAU I f(GHz) 2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 plan E 620 620 o00 620 600 620 plan H 78" 76" 740 77" 77" 78" C.C. -19 -22 -28 -26 -26 -18 Gain en dB 6,7 7,1 7,3 7,3 6,7 6,0 tandis que le second doublet de l'antenne porte les mêmes références, mais avec un indice ('). Sur la Fig. 4, on peut comprendre pourquoi les demi-plaques 4, 5, 4' et 5' sont plus courtes que les demi-plaques 1, 2, 1' et 2' afin d'éviter tout chevauchement. Il apparaît également que, si l'on désire maintenir la coupure 3 ou 3' aussi petite que possible, il est nécessaire de supprimer les coins 22, Fig. 1P, adjacents des plaques 1 et 2. L'enlèvement des coins peut être complet, comme indiqué, ou partiel, les bouts des plaques 1 et 2 ayant alors une forme d'allure trapézotdale. Les coins des plaques larges du second doublet ont évidemment, pour des raisons de symétrie évidentes, les mêmes formes que ceux du premier doublet.L'antenne de la Fig. 4 est alimentée par deux paires de câbles coaxiaux 16, 17, 16' et 17', par exemple d'impédance caractéristique égale à 50 ohms, dont les âmes sont soudées respectivement aux points 14, 15, 14' et 15' des lignes à bande 11 et 11'. A noter que les lignes 17 et 11 ', Fig. 5, ont en commun le point 23, en face du centre de symétrie 9, le point 23 étant comme on l'a dit un point neutre. Les conducteurs extérieurs des cibles coaxiaux sont reliés aux plaques 4, 5, 4' et 5' ce qui met ces dernières à la masse aux points considérés. L'alimentation en quadrature de phase des quatre câbles coaxiaux 16, 17, 16' et 17' peut être effectuée suivant une technique classique, au moyen d'un symétriseur (ou balun) et de deux coupleurs à 3 dB. Le symétriseur et les coupleurs pourraient être avantageusement réalisés sur les deux faces d'un circuit imprimé. On pourrait alors séparer les deux composantes croisées, la polarisation gauche ou droite, suivant une méthode tout à fait classique. D'après les mesures effectuées sur l'antenne de la Fig. 4 excitée à des fréquences allant de 2,1 GHz à 2,6 GHz, en ce qui concerne le gain isotropique linéaire G en dB, le rapport d'ellipticité dans l'axe t en dB et l'ouverture à 3 dB du lobe principal de rayonnement sensiblement de révolution, on a obtenu les chiffres qui sont résumés dans le tableau II ci-après. TABLEAU II f(GHZ) 2,1 2,15 2,2 2,3 2,4 2,5 2,55 2,6 G(dB) 4,1 5,0 6,0 6,9 6,0 5,4 5,5 4,2 t(dB) 1,0 0,6 0,8 0,5 0,4 0,9 1,0 1,4 Ouv. 3 dB 750 710 670 670 650 650 650 650 D'après le tableau II, il apparalt que dans la bande de fréquences considérée et pour toutes les directions comprises à l'intérieur d'un cône de demi-angle au sommet égal à 600 et dont l'axe est celui du rayonnement principal, le rapport d'ellipticité t reste inférieur à 3 dB. Ainsi, on obtient, pour une bande passante de 17 %, un gain minimal de 5 dB et un rapport d'ellipticité dans l'axe inférieur à 1 dB. Il faut noter que l'on ne peut élargir sensiblement les plaques larges 1 et 2 sans augmenter les taux de composantes croisées. On peut diminuer l'épaisseur de la source rayonnante en augmentant éventuellement les dimensions des éléments rayonnants, à condition de tolérer une diminution notable de la bande passante. Les Figs. 7 et8monttent une variante de l'antenne des Figs. 4 à 6, dans laquelle on a substitué à une alimentation par quatre câbles coaxiaux une alimentation par ligne à bande. On y retrouve les éléments rayonnants, plus une ligne d'alimentation qui comprend une ligne de masse 24 et une ligne excitée 25. La ligne excitée 25 part d'un point 26, par exemple relié à l'!me d'un câble coaxial, et est reliée en dérivation aux points 14, 15, 14' et 15', par l'intermédiaire de points d'embranchement 27, 28 et 29.La distance, sur les trajets de la ligne, entre 27 et 28, d'une part, et entre 27 et 29, d'autre part, diffère d'une demi-longueur d'onde (dans le conducteur) pour assurer entre 28 et 29 une opposition de phase La distance entre 28 et 14, d'une part, et entre 28 et 14', d'autre part, diffère d'un quart de longueur d'onde, ainsi qu'entre 29 et 15 et entre 29 et 15', pour assurer la quadrature de phase. La ligne de masse 24, qui suit un trajet parallèle à celui de 25, n'intervient évidemment pas dans le rayonnement. L'antenne montrée aux Figs. 7 et 8 présente par rapport à celle des Figs. 4 à 6 excitée par des câbles coaxiaux, eux-mêmes alimentés par un sym*- triseur et un coupleur, l'avantage de la simplicité et du faible cout. Toutefois, ce système d'alimentation simplifié est très sensible à une désadaptation d'impédance, ce qui limite sérieusement la bande passante de l'antenne. En conclusion, en particulier pour les éléments rayonnants de la Fig. 4, la bande passante obtenue, pour cette source plate de faible épaisseur par rapport à la lononleur d'onde et à polarisation circulaire, est remarquablement large. Cette source peut être utilisée comme source élémentaire de réseaux plaqués ou enroulés sur des surfaces conductrices à rayonnement unidirectionnel ou omnidirectionnel. REVENDICATIONS 1) Doublet replié en plaques dans lequel le brin alimenté est constitué de deux demi-plaques séparées par une coupure et alignées suivant le même axe, caractérisé en ce que le brin replié est également constitué de deux demi-plaques étroites, symétriques par rapport au centre de symétrie du brin alimenté et séparées des côtés adjacents des demi-plaques larges par un intervalle, les extrémités extérieures des demi-plaques larges étant respectivement réunies aux extrémités extérieures des demi-plaques larges adjacentes, la coupure entre les demi-plaques étant relativement large. 2) Doublet suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités intérieures des demi-plaques étroites sont à la masse et les demi-plaques larges sont alimentées par l'intermédiaire d'une ligne à bande passant sous les axes de symétrie des plaques larges et étroites, une extrémité de la ligne à bande sous une première demi-plaque étroite étant alimentée par un signal et l'autre extrémité sous la seconde demi-plaque étroite étant alimentée par un second signal en ppposition de phase avec le premier. 3) Antenne à polarisation circulaire constituée par deux doublets suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les doublets ont même centre de symétrie,-mêmes dimensions et sont décalés angulairement de 900 et alimentés en quadrature de phase. 4) Antenne suivant la revendication 3, caractérisée en ce que les extrémités des demi-plaques larges dirigées vers le centre de symétrie ont une forme approximativement triangulaire de manière sur les axes de symétrie à réduire les distances entre les extrémités des demi-plaques larges appartenant au même doublet.