Brevet FR2565036A1 — publié le 19851129

La présente invention concerne de façon générale les antennes coniques spiralées et plus précisément des procédés de fabr ication d'un dessin conducteur conique spiralé isolé. Les antennes coniques spiralées ont un certain nombre de caractéristiques souhaitables. Elles sont particulièrement utiles lorsqu'il faut une petite antenne en hyperfréquence, directionnelle, à polarisation circulaire et à large bande. Comme elles sont légères, peu encombrantes et potentiellement peu coûteuses, les antennes coniques spiralées conviennent bien aux applications mobiles et spatiales. Un résumé des caractéristiques de fonctionnement de cette catégorie d'antennes se trouve dans l'ouvrage de Rudge et ai, The Handbook of Antenna Design, Chapitre 7 (1982). Jusqu'à présent, les antennes coniques spiralées ont été préparées par un certain nombre de techniques diffé- rentes comprenant l'enroulement d'un fil ou d'une étroite bande conductrice sur un substrat conique isolant. Quelle que soit la technique, la fabrication connue a mis en oeuvre d'abord la réalisation d'un substrat conique puis la défini- tion du dessin spiralé du conducteur sur la surface conique existante. Par exemple, un jeu de conducteurs hélicoïdaux imbriqués est enroulé sur une forme conique. Le pas de l'hélice n'est pas constant, comme le sont les filets d'un filetage, car, lorsque le cône s'effile, la distance séparant les conduc- teurs diminue en fonction logarithmique. L'application du dessin conducteur sur la surface en conformité avec une spirale logarithmique d'une manière précise est rendue plus difficile par la courbure du cône qui augmente évidemment vers le sommet. L'antenne conique spiralée est connue depuis de nom- breuses années. Cependant, sa réalisation a été difficile et ses propriétés électromagnétiques ont pour l'essentiel défié le calcul. Ces deux problèmes se combinent lors d'une optimisation de très haute qualité. Ce qui est nécessaire est un procédé rapide et simple de fabrication de modèles d'antennesconiques spiralées telles que les paramètres physiques optimaux de l'antenne puissent être vérifiés expérimentalement au cours d'essais effectués sur un certain nombre de modèles candidats. Ainsi, l'invention a pour objet de faciliter la fabri- caLvi,:. a;ntennes coniques spiralées de manière générale. Un objet plus particulier de l'invention est de permettre une fabrication rapide et simple des antennes coniques spiralées afin que les paramètres optimaux de leur conception soient vérifiés. Plus précisément, l'invention tire avantage d'une propriété géométrique d'un dessin conique en spirale logari- thmique qui n'a pas été exploitée jusqu'à présent. Un programme d'ordinateur calcule la configuration de la spirale complexe comme si la spirale avait été découpée et mise à plat sur une surface plane. Avec un tracé créé par ordinateur de la spirale aplatie, des négatifs photographiques sont réalisés et utilisés pour l'attaque photochimique du tracé dans un stratifié isolant souple couvert d'une feuille de cuivre, ayant la forme d'un secteur de cercle. Le dessin attaqué chimiquement formé par la feuille est alors replié sous forme conique et les bords du substrat qui étaient plats à l'origine sont raccordés suivant un joint. Les parties en regard des spires de la spirale sont raccordées le long du joint. Lorsque la forme conique est supprimée, l'antenne constitue un cône cohérent. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une perspective d'une antenne conique en spirale logarithmique périodique à double hélice réalisée selon l'invention; la figure 2 est une vue en plan de l'antenne de la figure 1; la figure 3 est une vue en plan du substrat aplati après attaque chimique de la feuille et avant sa mise sous forme d'un cône; la figure 4 est un détail d'une partie du joint illus- trant une technique de raccordement électrique des spires fendues du dessin conducteur; la figure 5 est une coupe suivant la ligne 5-5 de la figure 4; : iqure 6 est un détail d'une partie du joint repré- sentant un autre dispositif de connexion électrique des spires fendues de l'antenne; la figure 7 est un détail d'une bande de ruban conduc- teur ayant plusieurs lignes conductrices qui recouvrent le joint de la figure 6; la figure 8 est une vue détaillée d'une partie du joint recouvert par une bande conductrice ayant plusieurs lignes conductrices; la figure 9 est une vue en plan du substrat ayant la feuille attaquée, à sa face inférieure, modifié afin qu'un volet de raccordement permette la connexion des spires et la réalisation du joint; et la figure 10 est une coupe détaillée suivant la ligne -10 de la figure 9 représentant un dispositif de fixation du joint de l'antenne. Les figures 1 et 2 représentent une antenne conique logarithmique périodique 10 à double hélice comprenant un substrat souple 12 formé d'un matériau isolant, par exemple du "Teflon" ou une résine époxyde chargée de fibres de verre, portant à sa face externe un dessin formé dans une feuille attaquée chimiquement et constitué par des conducteurs électri- ques 14 etl6 en forme de rubans, spiralés et imbriqués coaxiale- ment. Le cône a un angle de 60 . La distance comprise entre les spires des conducteurs spiralés 14 et 16 diminue logarithmi- quement vers le sommet 18 du cône. Les conducteurs spiralés aboutissent au sommet à des bornes 14a et 16a respectivement qui constituent l'alimentation de l'antenne. Comme les conduc- teurs spiralés sont sous forme d'une spirale ayant un pas à droite, ie diagramme de rayonnement est dirigé coaxialement à partir du sommet 18 du cône. Lors de la construction de l'antenne 10 selon l'inven- tion, un substrat plat 12 de forme semi-circulaire est utilisé, ce substrat ayant une surface sur laquelle une feuille de cuivre d'épaisseur uniforme (non représentée) est collée. Un programme d'ordinateur calcule la configuration de la spirale complexe comme si celle-ci avait été coupée et mise à pla.. n. surface plane. Un code source convenable en langage FORTH est disponible auprès de OPTIMA Systems, Inc., le programme étant destiné à un ordinateur personnel IBM commandant un traceur numérique'Hewlett-Packard". Le programme est destiné à donner un tracé pour un cône de 60 , en fonction des données introduites concernant le nombre de branches, de boucles, la largeur et l'espacement des spires. Avec un tracé de la spirale aplatie, formé par l'ordinateur, des négatifs photographiques "Rubylith" sont effectués et utilisés pour l'attaque photochimique du tracé dans la feuille de cuivre. L'opération réelle est analogue à celle qui est utilisée pour la réalisation des circuits imprimés dans lesquels la feuille de cuivre non attaquée est recouverte d'une réserve photochimi- que qui, lorsqu'elle est exposée à travers le néVatif "Rubylith (ou "cache"), change de propriété chimique en fonction du dessin de lumière et d'ombre formé par le négatif. Les zones exposées par le négatif sont retirées par une matière d'attaque chimique à laquelle résistent les zones non exposées, ou inversement. Ainsi, le reste de la réserve photographique est retiré chimiquement et laisse un dessin formé dans une feuille de cuivre et correspondant au tracé de l'ordinateur. Le dessin attaqué dans la feuille est représenté sur la figure 3. Les bords rectilignes 12a, 12b du substrat plat 12 forment un joint 20, par mise des deux bords 12a et 12b en butée. Les spires fendues des spirales sont raccor- dées de part et d'autre du joint 20 par soudage ou par un ruban conducteur ou par rivetage ou par un autre dispositif électrique équivalent de connexion. Le raccordement mécanique peut être amélioré à l'aide d'un ruban adhésif formé à l'in- térieur du joint 20 ou par collage d'une bande de matière plastique sur le joint 20, à l'intérieur du cône 10. Il est commode de monter le substrat 12 attaqué chimiquement sur une forme conique ou un mandrin conique avec raccordement des bords et réalisation des connexions électriques afin que cette jonction des bords 12a et 12b soit facilitée. 2565036- Les figures 4 et 5 représentent une technique facili- tant la réalisation de la connexion électrique entre les spires fendues, de part et d'autre du joint 20. Un ruban adhésif 24 ayant une feuille de cuivre 26 est placé sur la jonction des dessins conducteurs, à raison d'un morceau par spire. Un procédé analogue est représenté sur les figures 6 et 7 sur lesquelles un ruban allongé 28 ayant plusieurs dessins 26 de feuille conductrice est formé, le dessin corres- pondant à l'espacement des spires du joint 20. La figure 8 représente une autre technique de formation du joint à l'aide d'un ruban analogue à celle des figures 6 et 7, mais en différant en ce que, à la place des dessins de cuivre organisés en fonction de l'espacement des spires, le ruban 30 de la figure 8 a plusieurs lignes distantes de cuivre ou d'un autre matériau conducteur délimites à la face interne du ruban afin que les connexions soient réalisées lorsque cela est nécessaire entre les spires quel que soit leur espacement exact. Les lignes 32 de cuivre sont séparées et isolées les unes des autres afin qu'il n'existe pas de conduction électrique entre des spires adjacentes. Les figures 9 et 10 représentent une variante de système mécanique de raccordement destiné à la formation du joint 20, dans laquelle un volet 34 dépasse de la ligne 12b du joint sur une moitié du substrat plat 12. Lorsque le cône est assemblé, le volet 34 vient sur une partie complémentaire de la surface portant le conducteur du substrat 12 près du bord 12a. Des trous 36 revêtus à l'intérieur sont formés dans les spires dans le volet 34 afin qu'ils raccor- dent le dessin conducteur de la face externe à une plage conductrice 38 qui vient en contact avec l'extrémité du dessin conducteur du bord 12a. Chaque spire, au bord 12a, a un trou revêtu 30 qui peut le cas échéant être raccordé à une plage analogue 42 de l'autre côté du substrat comme l'indique la figure 10. Après montage du cône, des rivets conducteurs 44 sont disposés dans les trous alignés 36 et 40 et assurent la connexion électrique et mécanique le long du joint 20 (figure 1). Sur la figure 3, les rayons 12a et 12b sont alignés. L'angyt' formé par les rayons 12a et 12b est ainsi de 180 . Cette condition permet la formation d'un cône de 60 . La variation de l'angle des rayons 12a et 12b permet la réalisa- tion de cônes ayant d'autres angles au sommet. L'angle du cône est égal au double de l'arcsinus du rapport de l'angle des rayons (12a, 12b) et 360 . Le substrat 12 peut être découpé ou ébavuré sous forme du secteur voulu avant ou après attaque chimique. La même technique peut être utilisée pour la formation d'un tronc de cône creux ou même d'une antenne cylindrique le cas échéant. Cependant, la forme conique est préférable pour les antennes à large bande. Le procédé précité de fabrication est suffisamment simple et rapide pour que de nombreux modèles puissent être réalisés pour la vérification expérimentale des paramètres optimaux de l'antenne. La complexité du dessin spiralé n'est aucunement limitée. Plusieurs paires de spirales imbriquées peuvent être formées facilement. Lorsque par exemple une antenne est réalisée avec huit spirales imbriquées et complé- mentaires, les spirales alternées étant raccordées deux par deux afin que deux bornes composites soient formées, les propriétés calculées pour l'antenne paraissent être excellentes. L'antenne est calculée pour avoir une impédance de 47 ohms sur une gamme de fréquence 5/1 avec une polarisation circulaire, un diagramme directionnel de rayonnement et un taux d'ondes stationnaires inférieur à 1,1/1. L'antenne est fabriquée facilement et d'une manière peu coûteuse par une technique d'attaque chimique, alors que la technique classique d'usinage ou d'enroulement serait moins précise et plus coûteuse. L'antenne peut être réalisée avec un nombre quelconque de spirales imbriquées, un angle quelconque du cône et une largeur angulaire quelconque des conducteurs, afin que diffé- rentes propriétés électriques soient données à l'antenne. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une antenne spiralée, caractérisé en ce qu'il comprend: la délimitation d'un dessin conducteur (14, 16) sur un substrat isolant souple et plat (12) ayant une paire de bords complémentaires (12a, 12b), le pliage du substrat (12) sous forme d'une surface courbe et le raccordement des bords complémentaires le long d'un joint (20), et l'interconnexion électrique des parties correspondantes du dessin conducteur de part et d'autre du joint, si bien qu'un dessin conducteur continu est formé autour d'une surface courbe. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la formation d'un dessin de conducteurs (14, 16) comprend la délimitation d'un dessin conducteur de la même manière que si un dessin spiralé voulu avait été découpé le long d'une droite et mis à plat. 3. Procédé de fabrication d'une antenne conique spiralée, caractérisé en ce qu'il comprend: la découpe d'un substrat isolant de l'électricité, souple et plat (12) à une forme correspondant à au moins un secteur de cercle délimité par des bords radiaux (12a, 12b), la délimitation d'un dessin de conducteurs courbes déconnectés (14, 16) à la surface du substrat comme si la spirale conique avait été découpée le long d'une droite et mise à plat, le pliage du substrat et le raccordement des bords radiaux le long d'un joint, et l'interconnexion électrique des parties en butée des spires correspondantes de part et d'autre du joint afin qu'une spirale conique continue soit formée. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la délimitation du dessin des conducteurs (14, 16) est réalisée par une opération d'attaque chimique d'une réserve photographique. 5. Procédé de fabrication d'une antenne conique spiralée, caractérisé en ce qu'il comprend: i Canalisation d'un substrat isolant souple (12) portant une couche d'un matériau conducteur de l'électricité collée à une face, l'application d'une réserve photographique sur la couche conductrice, l'exposition de la réserve photographique à travers un cache ayant des parties transparentes et des parties opa- ques correspondant au dessin d'une spirale conique découpée le long d'une droite passant par le sommet du cône et mise à plat en forme de secteur circulaire, l'attaque chimique de la couche conductrice afin que des parties soient retirées en fonction du dessin exposé de réserve photographique, la découpe du substrat (12) à la forme d'un secteur de cercle, le pliage du substrat et le raccordement de ces bords (12a, 12b) suivant un joint, et la connexion électrique des parties en butée des spires fendues (14, 16) de part et d'autre du joint afin qu'une spirale continue soit formée. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dessin formé par-le cache correspond.au dessin de plusieurs spirales coniques imbriquées, coupé suivant une droite unique passant par le sommet, et mis à -plat. 7. Antenne conique spiralée, caractérisée en ce qu'elle comprend: un cône creux ayant un joint (20) le long d'une géné- ratrice, formé par jonction des bords radiaux d'un substrat souple et plat (12) qui, lorsqu'il est à plat, a la forme d'un secteur de cercle portant plusieurs éléments conducteurs distants (14, 16) formant le dessin d'une spirale conique analogue à un ruban découpé le long d'une génératrice, le substrat étant ensuite mis à plat, un dispositif de raccordement des bords complémentaires afin qu'un joint fixe soit formé, et un dispositif (26, 28, 30) de raccordement électrique des parties en butée des spires fendues de la spirale de part et d'autre du joint. s. Aintcnne selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dessin est composé de plusieurs bras coniques spiralés imbriqués (14, 16). 9. Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce que le disposiitif d'interconnexion électrique comporte une feuille isolante souple (26, 28, 30) portant sur une face un matériau conducteur de l'électricité et collée au cône sur le joint (20). 10. Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs feuilles (26) collées chacune sur une spire respective. 11. Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce que la feuille de raccordement est sous forme d'une bande allongée (28) placée pratiquement sur toute la longueur du joint et dont le matériau conducteur est placé dans des régions correspondant à une spire sous-jacente. 12. Antenne suivant la revendication 9, caractérisée en ce que la feuille de raccordement est sous forme d'une bande allongée (30) ayant pratiquement la longueur du joint. 13. Antenne selon la revendication 12, caractérisée en ce que le matériau conducteur de l'électricité est placé sur la première face de la bande (30) sous forme de plusieurs lignes parallèles isolées et distantes (32) disposées trans- versalement à la longueur de la bande. 14. Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif de jonction des bords sous forme d'un joint fixe comprend un volet (34) porté par le substrat (12) et destiné à recouvrir la surface adjacente du bord radial complémentaire du secteur de cercle formant le cône, et un dispositif (44} de fixation du volet au cône. 15. Antenne selon la revendication 14, caractérisée en ce que le dispositif de fixation du volet comporte un dispositif (44) de rivetage des parties complémentaires des spires correspondantes.