Brevet FR2597267A1 — publié le 19871016

Antenne à haute efficacité. La présente invention est relative à une antenne à haute efficacité. En matière d'éléments rayonnants à haute efficacité, on connaît la 5 source communément appelée "Short Backfire". Elle est constituée d'un dipole ou de deux dipoles (croisés s'il y en a deux) et d'un réflecteur cylindrique. Les performances de ce type d'antenne ont été étudiées par H.W. EHRENSPECK et sont décrites dans l'article "A New Class of Medium Size, High-efficiency Reflector Antennas" (IEEE Transactions on Anten10 nas and Propagation" de mars 1974). Ce document décrit un type d'antenne à réflecteur permettant un plus grand gain directif que ceux obtenus avec des antennes à réflecteur conventionnelles de même surface. Une antenne de ce type comprend un réflecteur de forme cylindrique et un système d'alimentation situé au centre de ce réflecteur. Une telle antenne est 15 analysée comme la combinaison de deux sources rayonnantes dont le rayonnement maximum et les relations de phase mutuelles peuvent être ajustés simplement pour obtenir un plus grand gain directif dans une direction perpendiculaire à la surface du fond du réflecteur. L'accroissement de gain directif est expliqué sur la base d'une extension virtuelle de 20 l'ouverture de rayonnement au delà des dimentions physiques du réflecteur. L'auteur compare l'efficacité de ce type de source, au rendement théorique maximal d'une ouverture rayonnante de même dimension. Ce rendement est défini par rapport à Dmax (directivité maximale d'une ouver25 ture rayonnante) Dmax = 4A avec A: aire de la surface considérée et: longueur d'onde. Pour certaines caractéristiques du réflecteur (Diamè30 tre d = 2.45 /\, hauteur h = 0.57,), la directivité mesurée est supérieure à la directivité maximale de l'ouverture rayonnante équivalente. Ce phénomène, selon les travaux précités, se reproduit pour des valeurs de diamètre: d 0.75 À Si on considère la valeur minimale du diamètre du réflecteur, 35 - 2 dmin, pour une antenne du type "Short Backfire", dmin doit être compatible avec l'encombrement du dipole: dmin > 0.75 X. Il y a donc incompatibilité entre les deux relations relatives au diamètre du réflecteur. L'invention a pour objet une structure permettant de profiter du phénomène avantageux qui apparait pour d fond de ce réflecteur et étant alimenté par son autre extrémité. Les avantages que possèdent la présente invention par rapport aux antennes du type "Short Backfire" sont les suivants: - Le diamètre du réflecteur n'est pas limité par l'encombrement du 20 dipole, - La directivité de l'élément rayonnant est modulable, contrairement à une antenne "Short Backfire" dont la directivité du dipole est constante. Plus précisément l'invention a pour objet une antenne dans 25 laquelle quatre câbles coaxiaux sont disposés à l'intérieur d'une hélice quadrifilaire, les âmes centrales des deux premiers câbles coaxiaux, qui sont des câbles d'alimentation, étant reliées par des premiers circuits métalliques aux âmes centrales des deux autres câbles coaxiaux, une plaque métallique disposée à une certaine distance de cette extrémité 30 permettant de relier les âmes centrales de ces deux derniers câbles coaxiaux et les conducteurs extérieurs des quatre câbles coaxiaux de telle manière que l'impédance présente en sortie des deux câbles d'alimentation soit 50, les parties extérieures par rapport au réflecteur de ces quatre câbles coaxiaux étant reliées aux quatre fils par l'inte35 - 3 rmédiaire de quatre seconds circuits métalliques. Avantageusement l'invention se rapporte à une antenne dans laquelle les premiers circuits métalliques sont réalisés par des couches métalliques disposées de part et d'autre d'un premier circuit imprimé, 5 les seconds circuits métalliques étant réalisés par des couches métalliques disposées sur une première face d'un second imprimé superposé par sa seconde face avec l'une des faces du premier circuit imprimé. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limita10 tif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 illustre une vue en perspective schématique d'une antenne selon l'invention, le réflecteur étant représenté en coupe; - la figure 2 illustre une vue partielle en perspective de la source rayonnante de l'invention; - la figure 3 illustre une vue en coupe selon le plan IIIIII de la source rayonnante représentée à la figure 2. La présente invention se rapporte à un élément rayonnant, constitué d'une hélice quadrifilaire 10, placé dans un réflecteur 11 ayant un fond 8 et des parois 9 latérales de direction perpendiculaire à 20 ce fond et de forme cylindrique. Les dimensions du réflecteur 11 sont optimisées pour obtenir la superposition en phase, dans la direction de l'axe de rayonnement à, des composantes rayonnées par l'hélice 10 d'une part, et par le bord supérieur 12 du réflecteur 11 d'autre part. L'antenne selon l'invention comprend quatre câbles coaxiaux 13, 25 14, 15, 16 qui sont de directions parallèles à l'axe du rayonnement à. Les âmes centrales 20 et 21 des deux premiers câbles coaxiaux 13, 14, qui sont des câbles d'alimentation, sont reliées par des circuits 24 et 25 aux âmes centrales 22 et 23 des câbles coaxiaux 15 et 16. Ces âmes centrales 22 et 23 sont court-circuitées aux conducteurs extérieurs des 30 câbles coaxiaux 13, 14, 15, 16 par une plaque métallique 26 à une distance e telle que l'impédance présentée en sortie des câbles coaxiaux 13 et 14 soit de 50-a. L'hélice quadrifilaire 10 est constituée de quatre brins rayonnants 27, 28, 29, 30 qui sont alimentés par le sommet; leur base 35 étant courtcircuitée au réflecteur 11, ce qui lui permet d'être _ 4 assimilée, en première analyse, à un dipole recourbé. Ces brins rayonnants 27, 28, 29 et 30 sont reliés aux conducteurs extérieurs des coaxiaux 13, 14, 15, 16 par les circuits 31, 32, 33, 34. Ces brins rayonnants sont court-circuités au réflecteur 11 par l'inter5 médiaire d'une plaque 17. En fonction de la valeur du diamètre d du réflecteur, la hauteur h du réflecteur est optimisée. Sur les figures 1, 2 et 3 les circuits 24, 25 qui permettent de relier les âmes centrales 20 et 21 des câbles 13 et 14 aux âmes 22 et 23 des câbles 15 et 16, sont représentés par des dépôts métalliques 10 effectués de part et d'autre d'un premier circuit imprimé 35; les circuits 31, 32, 33 et 34 qui permettent de relier les conducteurs extérieurs des câbles coaxiaux 13, 14, 15 et 16 aux brins rayonnants 27, 28, 29 et 30 sont des dépôts métalliques effectués sur une première face d'un deuxième circuit imprimé 36 dont la seconde face 15 est superposée à l'une des faces du premier circuit imprimé 35. Une telle antenne est principalement utilisée à des fréquences inférieures à 4 GHz. Contrairement aux antennes de l'art connu, comportant un dipole situé à l'intérieur d'un réflecteur cylindrique dont la directivité est donnée, dans l'antenne selon l'invention on peut jouer, 20 à une fréquence donnée, sur le rapport diamètre/hauteur du réflecteur. Dans le cas o l'on utilise l'antenne précitée comme élément rayonnant d'une antenne réseau un domaine de valeur du diamètre d est particulièrement intéressant. Elle est définie par la relation donnant la distance inter-éléments L: 0.67 N. Pour ces valeurs, les lobes de réseaux n'apparaisent pas. Il en résulte une efficacité optimale de l'antenne. Mais la diminution de cette distance L contribue généralement à augmenter de manière importante le couplage entre éléments. Dans le cas de la présente invention, le critère de cohérence du rayonnement issu de l'hélice 10 30 d'une part, et du bord supérieur 12 du réflecteur 11 d'autre part, corrèle la diminution de diamètre d, à une augmentation de la hauteur h du réflecteur 11, et donc améliore l'isolation directe entre éléments. Avec une telle antenne réseau le critère d'optimisation est d'obtenir une directivité maximale dans l'axe du rayonnement. Mais ce critère 35 pourrait être d'obtenir un taux d'ellipticité maximal sur une couverture 5 donnée, par exemple avec une antenne multidirectionnelle. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention. Ainsi l'élément rayonnant 10 peut être aussi bien une hélice composée d'un ou de plusieurs fils: monofilaire, bifilaire... Cette hélice peut également être de forme conique. -- 6 -REVENDICATIONS: 1/ Antenne à haute efficacité comprenant un réflecteur (11) constitué d'un fond (8) et de parois (9) de direction perpendiculaire à ce fond et de forme cylindrique, à l'intérieur duquel est disposé un dispositif 5 rayonnant (10) dans la direction perpendiculaire à ce fond, caractérisé en ce que le dispositif rayonnant (10) comprend au moins un fil (27) enroulé en hélice de part et d'autre de l'axe de symétrie du réflecteur qui est l'axe de rayonnement (6) dudit dispositif, chaque fil étant courtcircuité au réflecteur par son extrémité situé du côté du fond de 10 ce réflecteur (11) et étant alimenté par son autre extrémité. 2/ Antenne selon la revendication 1 caractérisé en ce que au moins un câble coaxial (13) situé à l'intérieur de l'hélice formée par le (ou les) fil (s) rayonnant permet d'alimenter ce (ou ces) fil (s) rayonnants. 3/ Antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque câble 15 coaxial est parallèle à l'axe de rayonnement ( t). 4/ Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif rayonnant (10) comporte quatre fils (27, 28, 29, 30) enroulés pour former une hélice quadrifilaire. / Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac20 térisé en ce que quatre câbles coaxiaux (13, 14, 15, 16) sont disposés à l'intérieur d'une hélice quadrifilaire (10), les âmes centrales (20, 21) des deux premiers câbles coaxiaux (13, 14), qui sont des câbles d'alimentation, étant reliées par des premiers circuits métalliques (24, 25) aux âmes centrales (22, 23) des deux autres câbles 25 coaxiaux (15, 16), une plaque métallique (26) disposée à une certaine distance (e) de cette extrémité permettant de relier les âmes centrales (22, 23) de ces deux derniers câbles coaxiaux (15, 16) et les conducteurs extérieurs des quatre câbles coaxiaux (13, 14, 15, 16) de telle manière que l'impédance présente en sortie des deux câbles 30 d'alimentation (13, 14) soit 50 ft, et en ce que les parties extérieures par rapport au réflecteur de ces quatre câbles coaxiaux (13, 14, 15, 16) soient reliées aux quatre fils (27, 28, 29, 30) par l'intermédiaire de quatre seconds circuits métalliques (31, 32, 33, 34). 6/ Antenne selon la revendication 5 caractérisé en ce que les premiers 35 circuits métalliques (24, 25) sont réalisés par des couches métalliques 7 disposées de part et d'autre d'un premier circuit imprimé (35), et en ce que les seconds circuits métalliques (31, 32, 33, 34) sont réalisés par des couches métalliques disposées sur une première face d'un second circuit imprimé (36) superposé par sa seconde face avec l'une des faces du premier circuit imprimé (35). 7/ Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les fils enroulés (27, 28, 29, 30) forment une hélice de forme conique.