Brevet FR2485818A1 — publié le 19811231

- 1 - Antenne en réseau La présente invention concerne une antenne en réseau compac-W et légère ayant un gain d'environ 13 dB et trouvant une application comme antenne de communication orientable utilisant les ondes polarisées circulairement. Les communications maritimes par satellite ont trouvé récemment des applications dans l'établissement des communica- tions entre les navires en mer et les stations terrestres dans le cadre de services commerciaux,tels que le système M RISAT, dont la plupart utilisent à bord des navires des antennes présentant un gain de 23 dB pour obtenir des communications téléphoniques de haute qualité. Toutefois, les antennes clas- siques de ce type utilisées à bord des navires ont été fabri- quées spécialement pour les navires de transport de passagers de grandes dimensions. On a proposé de nombreux systèmes d'antennes plus simples pouvant ttre placés à bord de petits navires en tant que systèmes de communication d'avenir. Le gain nécessaire pour ce type d'antenne placé- à bord des navires peut etre inférieur à celui nécessaire pour le système M RISAT; par exemple, le système INMARSAT norme B n'è4ige qu'un gain de 13 dB. Pour cette raison, ce qui est nécessaire principalement pour ce type de système d'antenne maritime est un système d'antenne aussi compact et aussi léger que possible avec un gain d'environ 13 dB. Toutefois, un abaissement du gain de l'antenne ou une simplification du système est accompagné de la nécessité de prévoir des fonctions supplémentaires pour réduire le fading dé à la dispersion par la mer. Par exemple, p o u r obtenir la fonction de réduction de fading il faut dans de nom- breux cas que le système d'antenne comporte une fonction lui permettant d'effectuer la commande électrique de la directivité. Toutefois, il est difficile de donner aux types d'antennes ne com- portant qu'un seul système d'alimentation, comme c'est le cas - 2 - dans les antennes paraboliques et les antennes courtes à émission par l'arrière, c ette f onetion supplémen- taire. Par contre, l'antenne en réseau a pour avantage que l'on peut modifier la directivité facilement en comnandant la phase au point d'alimentation de chaque antenne. Par conséquent, l'an- tenne en réseau convient pour un système simple- tel que celui mentionné ci-dessus. Toutefois, quand on essaie d'obtenir une antenne en réseau de la technique antérieure présentant les mêmes carac- téristiques que l'antenne à ouverture, les dimensions de cette première antenne deviennent plus importantes que celles de cette dernière antenne. Cette difficulté rend les antennes en réseau classique peu commode pour être utilisées comme antennes compactes à bord des navires. Un objet de la présente invention est de procurer une antenne pour communication sur station mobile constituée par une antenne en réseau compacte, légère et de haute qualité, convenant pour le système simple précité. Un autre objet de la présente invention est de procu- rer une antenne en réseau compacte et légère présentant un gain d'environ 13 dB en utilisant des antennes hélicoïdales à mode axial d'une hauteur de 0,4 à 0,6 A ( t: longueur d'onde) comme antennes élémentaires et des couronnes métalliques cylindriques disposées coaxialement autour desdites antennes élémentaires, respectivement, pour supprimer la détérioration des caractéristiques du système d'antenne provoqué par le coupla*gmutuel des antennes élémentaires. On va maintenant décrire-la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un diagramme dans lequel on a tracé quatre modes résolus du courant induit dans une ligne d'antenne hélicoïdale, l'axe des abscisses représentant la distance mesurée à partir du point d'alimentation le long de l'hélice et l'axe des ordonnées représentant l'intensité du courant; - 3 - - la figure 2 est un diagramme caractéristique mon- trant la relation entre le rapport axial et la hauteur de l'antenne hélicoïdale; - la figure 3 est un diagramme de la répartition du courant dans l'antenne hélicoïdale à mode axial ayant une hauteur d'environ 0,5 Z, l'axe des abscisses représentant la distance mesurée à partir du point d'alimentation le-long de l'hélice et l'axe des ordonnées représentant l'intensité du courant; - la figure 4 est un diagramme caractéristique montrant la relation entre le gain de puissance et le diamètre du réflec- teur pour l'antenne hélicoïdale à mode axial ayant une hauteur d'environ 0,5,2 ainsi que la relation entre le rapport axial et le diamètre du réflecteur; - la figure 5 (a) est une vue en élévation de face d'un mode de réalisation de la présente invention; - la figure 5 (b) est une vue en élévation latérale du mode de réalisation représenté sur la figure 5 (a); - la figure-6 est une vue en élévation frontale d'un autre mode de réalisation de la présente invention; et - la figure 7 est un diagramme caractéristique montrant la relation entre le gain de puissance et la hauteur des cou- ronnes ainsi que la relation entre le rapport axial et la hau- teur de ces couronnes dans ledit mode de réalisation de la présente invention. On va expliquer tout d'abord les caractéristiques de l'antenne hélicoïdale à mode axial ayant une hauteur de 0,4 à 0,6 a (dans le cas d'un angle d'hélice ou angle primitif de 14 , une-hauteur d'antenne de 0, 5 1 correspond à une hélice à deux spires) qui est utilisée comme antenne élémentaire pour l'antenne en réseau de la présente invention, L'antenne hélicoïdale à mode axial (avec une longueur circonférencielle hélicoïdale d'environ 1 1 et un angle d'hélice de 120 à 140), qui peut être excitéepar un réflecteur de taille déterminée èst connue depuis longtemps comme antenne présentant - 4- une bonne caractéristique pour une onde polarisée circulaire- ment et à bande large. La répartition du courant le long de l'hélice de cette antenne consiste en deux ondes progressives (une de ces ondes est une onde progressive d'amplitude uniforme et l'autre une onde progressive dont l'amplitude s'amortit rapidement à mesure que la distance par rapport au point d'ali- mentation augmente) et deux ondes progressives dirigées vers l'arrière (une de ces ondes étant une onde réfléchie uniforme et l'autre une onde réfléchie dont l'amplitude s'amortit rapidement à mesure que la distance par rapport à l'extrémité de l'antenne augmente). La figure 1 montre le principe de chaque mode de la répartition du courant, l'axe des abscisses S représentant la distance par rapport au point d'alimentation le long de l'hélice et l'axe des ordonnées représentant l'intensité du courant, le point d'alimentation se trouvant à S = 0 et l'extrémité de l'an- tenne se trouvant & S = L. Sur cette figure, les répartitions du courant pour les symboles numériques cerclés J, OE, e et 0 sont dus, respectivement, à une onde progressive uni- forme, une onde progressive s'amortissant rapidement à mesure que la distance par rapport au point d'alimentation augmente, une onde réfléchie uniforme et une onde réfléchie s'amor- tissant rapidement à mesure que la distance par rapport à l'extrémité de l'antenne augmente. La répartition du courant de la figure 1 joue un rôle principal sur la caracté- ristique de rayonnement des antennes hélicoïdales classiques à mode axial et à spires longues (plus de 6 spires) qu'il est fréquent d'utiliser. La figure 2 montre la relation entre la hauteur de l'antenne et le rapport axial dans le cas de l'antenne héli- coldale à mode axial dans laquelle le diamètre du réflecteur est supposé infini et l'angle de l'hélice est fixé à 120. Comme on peut le voir sur la figure, le rapport axial varie en fonction de la variation de la hauteur de l'antenne hélicoïdale à mode axial. La caractéristique de rapport axial - 5 - se détériore lorsque la hauteur de l'antenne tombe aux environs de 0,850 A, mais cette caractéristique est appropriée quand la hauteur atteint environ 0,425t. Il en est ainsi, comme le mon- trent les figures 1 et 3, en raison du fait que, lorsque la hauteur de l'antenne est comprise entre 0,4,l et 0,6 l e l'onde progressive qui s'amortit rapidement, c'est-à-dire le courant , se trouve induite principalement alors que l'onde réfléch ie qui entraîne une détérioration du rapport axial, c'est-à-dire le courant 3 a pp a ral t r a rem en t. Par ailleurs, quand la hauteur de l'antenne se situe en dehors de la plage comprise entre 0,4 > et 0,6, , le courant OE3 est induit, ce qui se traduit par une détérioration rapide de la caractéristique du rapport axial. Ensuite, un exemple des diverses caractéristiques d'une antenne hélicoïdale à mode axial dont l'angle c respectivement. Comme il appara1t sur la figure 4, la caracté- ristique d'une seule antenne hélicoïdale h môde axial d'une hauteur de 0,425 k- et d'un diamètre de réflecteur égal appro- ximativement A. indique un gain en puissance d'environ 9 dB et un rapport axial d'environ 1 dB. On peut obtenir la même valeur des caractéristiques si la hauteur de l'antenne se situe dans une plage comprise entre 0,4 A et 0,6 X. Si on utilise un autre type d'antenne, par exemple une antenne Yagi, et si on fait en sorte que celle-ci a les mêmes valeurs de caractéristi- ques, h savoir un gain en puissance d'environ 9 dB et un rapport axial de 1 dB, ilest nécessaire d'avoir recours à un nombre d'antennes élémentaires aussi élevé que 7 ou 8. Ceci est la preuve que l'antenne hélicoïdale à mode axial ayant une hauteur de 0,4 / et 0,6À a un gain supérieur à celui d'un autre type d'antenne ayant une dimension similaire. On peut donc escompter construire une antenne en réseau compacteen utilisant une antenne hélicoïdale à mode axial de ce type comme antenne élémentaire. La présente invention vise la réal: ation sous une forme compacte de l'antenne en réseau nouvelle en utilisant l'antenne hélicoïdale précitée à faible hauteur, c'est-à-dire a spire courte, comme antennes élémentaires constitutives et grâce à la diminution de l'intervalle entre ces antennes élémentaires. La figure 5 représente un des modes de réalisation de la présente invention. Ce mode de réalisation est un exemple d'une antenne en réseau àquatre hélices, la figure 5 (a) étant une vue en élévation de face et la figure 5 (b) étaNtune vue en élévation latérale de ce mode de réalisation. Sur la figure 5, quatre antennes élémentaires hélicol- dales 1 sont disposées à des intervalles égaux sur un réflecteur circulaire 2 ayant un diamètre D. Chaque antenne élémentaire hélicoïdale 1 est entourée concentriquement par une petite bague ou couronne métallique cylindrique 3. La section référen- cée 4 est un circuit d'adaptation pour les antennes élémentaires et la section 5 est un combinateur. Comme il est bien connu, la disposition des antennes élémentaires à faible distance les unes des autres pour obtenir une antenne en réseau compactecrée des couplage mutuels entre les antennes élémentaires et agit sur l'influence du réflecteur, ce qui se traduit par une augmentation de la détérioration des caractéristiques de l'antenne, particulièrement en ce qui con- cerne le rapport axial. Toutefois, dans le mode de réalisation de la présente invention, du fait qu'une petite bague ou cou- ronne cylindrique métallique est disposée concentriquement au- tour d'un élément hélicoldal,comme mentionné ci-dessus, on peut empêcher la détérioration des caractéristiques de l'antenne entraSnée par une diminution de l'espacement entre les éléments -7- hélicoîdaux. La figure 6 représente un autre mode de réalisation de la présente invention. Sur cette figure, les parties portant les mêmes références numériques que celles de la figure 5 (a) désignent des parties identiques ou équivalentes. Quatre an- tennes élémentaires 1 et quatre bagues ou couronnes métalliques cylindriques 3 qui entourent coaxialement lesdites antennes élémentaires 1, respectivement, sont placées sur un réflecteur 2À qui est formé par la zone couverte par lesdites quatre bagues métalliques 3 et la zone entourée par ces quatre bagues 3. Dans l'antenne en réseau à quatre hélices représentée sur la figure 6, le diamètre de chaque bague métallique peut être égal à 0,7 L., l'angle d'hélice de chaque antenne élémen- taire hélicoïdale à 12 -; la longueur circulaire et la hauteur de l'antenne a t et 0,425 2, et les quatre antennes élémen- taires sont disposées aux quatre sommets d'un carré dont la longueur de chaque côté est d'environ 0,"A. La figure 7 donne des valeurs mesurées du gain en puissance ainsi que du rapport axial en fonction de la hauteur des bagues de ladite antenne en réseau à quatre hélices repré- sentée sur la figure 6. La figure 7 montre que l'on peut obtenir le meilleur rapport axial et le meilleur gain en puis- sance lorsque la hauteur des bagues est de 0,25 t et que l'on peut améliorer le gain en puissance et le rapport d'environ 0,4 dB et d'environ 4 dB respectivement par rapport à ceux que l'on obtiendrait avec une antenne en réseau à quatre hélices et sans bagues, grâce à quoi on peut réaliser une antenne en réseau présentant un gain d'environ 13 dB et un rapport axial d'environ t dB. L'antenne en réseau à quatre hélices ayant les dimen- sions précitées présente un rendement d'ouverture d'antenne de presque 100 %, rendement qui constitue un des paramètres qui établit le gain en puissance en fonction des dimensions de l'antenne. Cette valeur est supérieure à celle que l'on peut - 8 - obtenir avec une antenne parabolique ordinaire dont le rende- ment est d'environ 60 à 70 %, et l'antenne selon la présente invention est parfaitement compétitive même avec l'antenne courte à émission vers l'arrière qui est connue comme étant une antenne du type résonant à haut rendement dont le rendement d'ouverture d'antenne est d'environ 80 à 100 %. Bien que l'on ait décrit ci-avant un mode de réalisa- tion formé par une antenne en réseau à quatre hélices, il va de soi que la présente invention n'est pas limitée à cette antenne. Ainsi, dans l'antenne en réseau selon la présente invention, du fait que l'on utilise comme antenne élémentaire l'antenne hélicoïdale à mode axial ayant une hauteur d'antenne de 0,4 à 0,6 i et présentant un gain en puissance supérieur aux antennes d'autres types et que chaque antenne élémentaire est munie d'une bague ou couronne métallique cylindrique, on peut obtenir des caractéristiques de performances élevées malgré une dimension compacte. Par conséquent, l'antenne en réseau de la présente invention convient particulièrement bien comme antenne de communication mobile telle qu'une antenne pour des communications maritimes par satellite. - 9 - REVENDICATIONS 1. Antenne en réseau caractérisée par le fait qu'elle comprend: des antennes élémentaires (1) dont chacune est com- posée d'une antenne hélicoïdale à mode axial ayant une hauteur d'antenne de 0,4, a 0,6 X (: longueur d'onde); et des bagues ou couronnes métalliques cylindriques (3) entourant coaxialement lesdites antennes élémentaires, respec- tivement, en vue de supprimer la détérioration des caractéris- tiques d'antennes entraînée par un couplage mutuel entre les dites antennes élémentaires. 2. Antenne en réseau suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdites antennes élémentaires sont disposées respectivement aux quatre sommets d'un carré. 3. Antenne en réseau suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la longueur de chaque c8té du carré est égale b environ 0,7 A, et que le diamètre et la hauteur de chacune des bagues ou couronnes métalliques précitées sont égaux respectivement à environ 0,7 A et environ à 0,25A.