Brevet FR2605148A1 — publié le 19880415

Antenne électromagnétique émettrice ou réceptrice très directive. La présente invention a pour objet des antennes électromagnétiques émettrices ou réceptrices très directives. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des antennes électromagnétiques ou hertziennes. Les télécommunications par ondes électromagnétiques entratnent la nécessité de disposer d'antennes émettrices ou réceptrices ayant un très bon rendement et une très grande directivité. En particulier l'avènement des satellites géostationnaires entrasse l'utilisation d'antennes capables d'émettre vers un satellite ou de capter des ondes provenant d'un satellite et il est intéressant de pouvoir construire des antennes très directives ayant un très bon rendement et un lobe de directivité très étroit dirigé vers le satellite. Un objectif de la présente invention est de procurer une famille d'antennes en forme de réseau d'éléments qui ont un très bon rendement, c'est-à-dire que l'ouverture O du lobe de directivité à grande distance est nettement au-dessous de la limite couramment admise égale à A/D, A étant la longueur d'onde et D la dimension maxima du réseau d'éléments composant l'antenne. On connaît déjà des antennes dites à supergain qui ont une très bonne directivité mais les applications pratiques de ces antennes à supergain sont limitées. Une des raisons de cette limitation réside dans le fait que les antennes à supergain nécessitent un contrôle très précis sur l'antenne des courants à haute fréquence, ce qui nécessite des tolérances très difficiles à atteindre en pratique. L'idée qui est à la base des nouvelles antennes est de faire un usage extensif d'éléments non actifs dits éléments passifs ctest-à-dire des éléments qui fonctionnent uniquement ou principalement par effet d'induction électromagnétique due aux autres éléments du réseau. AInsi, on obtient un rendement d'antenne élevé sans avoir à contrôler effectivement les courants à haute fréquence, ce qui entrain des tolérances de construction beaucoup plus raisonnables et faciles à atteindre en pratique. Un autre objectif de la présente invention est de procurer une famille d'antennes permettant d'obtenir un grand choix de formes et de directions des lobes de directivité à grande distance, en faisant varier les divers paramètres de l'antenne. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d'antennes électromagnétiques, émettrices ou réceptrices, qui comportent une pluralité d'éléments conducteurs qui sont disposés le long d'une courbe fermée lisse dans des plans perpendiculaires à ladite courbe de base, et la dimension maxima de chaque élément ainsi que l'espacement entre éléments sont inférieurs à la demi longueur d'onde à capter ou à émettre. Avantageusement, une majorité d'éléments sont passifs. De préférence, le nombre d'éléments passifs est supérieur à dix fois le nombre d'éléments actifs. Les éléments conducteurs composant une antenne selon l'invention sont fixés sur un support rigide en un matériau isolant électrique qui permet d'orienter les lobes de directivité de l'antenne dans une direction déterminée. Avantageusement, la courbe de base est plane et elle peut être circulaire, elliptique ou en forme d'oeuf ou toute autre forme bien définie géométriquement, de sorte que les positions géométriques mutuelles des divers éléments de l'antenne sont bien définies et qu'il est possible d'effectuer des calculs permettant de déterminer le rayonnement de l'antenne dans les diverses directions et d'en déduire les lobes de directivité de l'antenne. L'invention a pour résultat une famille d'antennes électromagnétiques très directives. Les propriétés de directivité d'une antenne selon l'invention dépendent de nombreux paramètres à savoir le nombre, la forme et la taille des éléments, leur espacement, le nombre et la position relative des éléments actifs et passifs, le type d'alimentation des éléments actifs, la forme et la taille de la courbe de base et ceci pour chaque fréquence. Du fait que les éléments qui composent une antenne selon l'invention sont disposés le long d'une courbe de base géométriquement bien définie, on connaRt leur position mutuelle avec précision et on peut déterminer par le calcul la forme et la direction du lobe de directivité par rapport à la courbe de base et obtenir des lobes de directivité de formes diverses en agissant sur le choix des nombreux paramètres de l'antenne. Ainsi des antennes selon l'inveniton comportant une courbe de base circulaire permettent d'obtenir des antennes omnidirectionnelles dans le plan de la courbe de base et très directives dans toutes les autres directions. Des antennes selon l'invention comportant un tronçon suffisamment étendu de courbure maxima constante permettent d'obtenir des lobes de directivité en forme d'éventail aplati dans le plan de la courbe de base. Des antennes selon l'invention comportant une courbe de base elliptique permettent d'obtenir des antennes très directives dans la direciton du petit axe de l'ellipse. Des antennes selon l'invention comportant une courbe de base en forme d'oeuf permettent d'obtenir des antennes ayant un lobe de directivité très étroit en forme de crayon. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation d'antennes selon l'invention destinées à émettre ou à capter des ondes électromagnétiques. La figure 1 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisatison d'une antenne selon l'invention. La figure 2 est un schéma électrique montrant l'alimentation des éléments actifs de l'antenne. La figure 3 est une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation d'une antenne selon l'invention. La figure 4 est une vue géométrique partielle d'une extrémité de la courbe de base d'une antenne selon l'invention. Les figures 5 et 6 sont des vues en perspective d'autres modes de réalisation d'antennes selon l'invention. Les figures 7 à 10 représentent des formes possibles de la courbe de base d'une antenne selon l'invention. La figure 1 représente une antenne selon l'invention. Cette antenne est composée d'une pluralité d'éléments 1 qui sont des tiges conductrices par exemple des tiges en alliage d'aluminium. Les éléments 1 sont disposés le long d'une courbe de base 2 géométriquement bien définie qui est dans le cas de la figure, une ellipse dont le grand axe est x xl et le petit axe y yl. La courbe 2 est située dans un plan P. Si l'antenne est destinée à émettre vers un satellite géostationnaire se trouvant à une hauteur h au-dessus de l'horizon, le plan P est incliné dudit angle h sur le plan horizontal du lieu et le petit axe y yl est pointé vers le satellite. Dans le mode de réalisation selon la figure 1, les éléments 1 sont perpendiculaires au plan P et situés d'un seul côté de la courbe 2. I1 est précisé que les éléments 1 peuvent s'étendre des deux côtés de la courbe 2. Ils peuvent également être inclinés par rapport au plan P de la courbe de base 2 ou même être situés dans le plan P. Dans tous les cas, les éléments 1 sont perpendiculaires à la tangente à le ourbe de base 2, c'est-à-dire que chaque élément est situé dans un plan perpendiculaire à la courbe 2. De préférence, les éléments 1 sont parallèles entre eux mais ils pourraient également être disposés suivant un arrangement rotatif ou radial ou toute autre disposition où les éléments restent perpendiculaires à la courbe de base. Dans l'exemple selon la figure 1, les éléments 1 sont des tiges métalliques droites qui constituent des dipoles. I1 est précisé que cette forme n'est pas limitative.Les éléments 1 peuvent présenter d'autres formes, par exemple des tiges en croix, des boucles, des disques ou des anneaux circulaires, des éléments en forme de Té, des éléments courbes ou pliés etc... ...... Dans tous les cas, chaque élément est disposé dans un plan perpendiculaire à la courbe de base 2. Dans l'exemple selon la figure 1, l'espacement b entre éléments successifs est constant, mais il peut ne pas l'être. Dans tous les cas, l'espacement b est inférieur à une demi longueur d'onde. La longueur t de chaque élément est également inférieure à une demi longueur d'onde. Si l'on veut construire par exemple une antenne destinée à capter ou à émettre des ondes hertziennes ayant une fréquence de 6 GHz, ctest-à-dire une longueur d'onde A = 5 cm, on choisit par exemple une ellipse 2 ayant une longueur totale de 4,5m. On dispose le long de cette éllipse 300 éléments 1 dont l'écartement uniforme est de 1,5 cm. Chaque élément 1 est une mince tige métallique ayant un diamètre de 0,4 mm et une longueur totale de 1,8 cm. Cet exemple numérique est donné sans aucun caractère limitatif pour permettre de mieux percevoir les dimensions d'une antenne selon l'invention. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention une minorité d'éléments 1 sont actifs,ctest-à-dire sont connectés électriquement sur un oscillateur dans le cas d'une antenne émettrice ou sur l'entrée d'un récepteur dans le cas d'une antenne réceptrice. Tous les autres éléments sont passifs, ctest-à-dire que les courants alternatifs qui les parcourent sont dus uniquement ou principalement aux effets d'induction électromagnétique provoqués par les autres éléments du réseau. Dans la pratique, les éléments passifs ne sont pas connectés sur une source d'alimentation ou sur un récepteur externe. Toutefois exceptionnellement, ils pourraient être connectés sur une source d'excitation externe ou sur un récepteur tout en continuant à remplir une fonciton d'éléments passifs. Des éléments passifs dans une configuration d'antenne donnée peuvent devenir actifs dans une autre configuration et réciproquement selon le but recherché. Avantageusement, le nombre d'éléments passifs est supérieur à dix fois le nombre d'éléments actifs. Par exemple, une antenne de 300 éléments comporte environ 2 à 5 éléments actifs et tous les autres éléments sont passifs. Des calculs théoriques montrent que les éléments passifs contribuent de façon essentielle aux propriétés de l'antenne par suite de phénomènes de résonance et d'interférence entre les divers éléments actifs ou passifs. La figure 2 représente schématiquement une portion d'antenne selon l'invention composée d'éléments rectilignes 1 répartis le long d'une courbe 2. On a représenté sur la figure 2 plusieurs éléments passifs la qui sont des tiges métalliques rectilignes fixées par exemple sur un anneau 2 isolant qui matérialise la courbe de base. On a également représenté sur la figure 2 trois éléments actifs lb qui sont connectés sur un émetteur d'ondes 3. Dans le cas de la figure 2 , les éléments 3b sont des dipoles. Chaque élément est composé de deux demi-éléments séparés par un tampon isolant 4. En variante, les éléments la et lb peuvent s'étendre symétriquement de part et d'autre de la courbe 2 et, dans ce cas, l'isolement électrique 4 entre les deux demiéléments est réalisé au niveau de la fixation sur la courbe 2. Deux conducteurs 5a, 5b relient respectivement chacun des deux demi éléments actifs situés de part et d'autre d'un pont isolant 4 à deux conducteurs 6a, 6b de polarité opposée venant de l'émetteur 3. Des déphaseurs Î, 2 etc... permettent de contrôler les déphasages entre les divers éléments actifs. Selon la règle bien connue, les fils 5a, 5b alimentant chaque dipôle sont fixés sur le-dipôle, de telle sorte que l'impédance de la charge soit approximativement égale à l'impédance interne de ltémetteur 3. Dans le cas d'une antenne réceptrice, le schéma de branchement est le même sauf que l'émetteur 3 est remplacé par un récepteur dont l'impédance est adaptée à celle de l'antenne. On a représenté en pointillés sur la figure 1 les lobes de directivité à grande distance 7a, 7b de l'antenne. Les calculs théoriques montrent qu'une antenne elliptique selon l'invention a deux lobes de directivité 7a, 7b de direction opposée parallèles au petit axe y yl de l'ellipse. Les calculs montrent qu'en modifiant l'alimentation des éléments actifs d'une antenne elliptique selon la figure 1, il est possible d'obtenir une antenne unidirectionnelle ayant un seul lobe de directivité. L'ouverture angulaire des lobes de directivité 7a, 7b n'est pas la même dans le plan P de la courbe de base 2 et dans le plan perpendiculaire au plan P. Toutefois, moyennant un choix convenable des paramètres, les deux ouvertures angulaires sont nettement inférieures à A/D. La courbe de base 2 peut présenter des formes très différentes. Dans tous les cas, c'est une courbe fermée et lisse, ctest-à-dire sans point de rebroussement et sans aucune discontinuité de la tangente à la courbe. Avantageusement, la courbe 2 est une courbe plane, mais cette condition n'est pas indispensable et la courbe 2 peut être gauche. La figure 1 représente un mode de réalisation dans lequel la courbe 2 est matérialisée par un anneau isolant, par exemple un anneau en matière plastique. En variante, la courbe 2 peut être immatérielle. Les éléments 1 peuvent être implantés par exemple sur une plaque isolante, de sorte que les axes des éléments soient disposés sur le trajet d'une courbe géométrique théorique fermée et lisse. Le rôle de l'anneau 2 ou de la plaque est un rôle purement mécanique de support matériel. Ils permettent de maintenir les éléments dans une position géométrique déterminée et ils permettent également de donner à la courbe 2 une inclinaison et une orientation spaciale déterminées afin de diriger un des lobes de directivité vers une cible par exemple un satellite géostationnaire. Le matériau composant le support matériel 2 doit avoir une bonne résistance mécanique et être un bon isolant électrique. Certaines matières plastiques conviennent bien pour cet usage. La nature du matériau et la forme des supports matériels 2 doivent être choisis de telle sorte qu'ils perturbent le moins possible le champ électromagnétique au voisinage de l'antenne. La figure 3 représente une vue en perspective d'un autre mode de rééalisation d'une antenne selon l'invention composée de tiges conductrices rectilignes 1 qui sont fixées sur une plaque rigide plane 8 en matériau isolant électrique, par exemple en matière plastique.Les éléments 1 sont parallèles à l'axe z zl qui est perpendicularie à la plaque 8, laquelle sert de support matériel des éléments. La plaque 8 forme avec le plan horizontal H un angle h qui est égal à la hauteur d'un satellite géostationnaire au-dessus de l'horizon. Les éléments 1 sont implantés sur une courbe théorique 2 représentée en traits mixtes qui a la forme d'un oeuf dont les deux extrémités sont reliées par l'axe x xl. La longueur des éléments 1 et la distance entre éléments successifs sont inférieures à A/2 Si la portion 2a de la courbe 2 en forme d'oeuf qui présente la courbure maxima, c'est-à-dire le petit bout de l'oeuf dont le rayon de courbure est le plus faible est relativement courte par rapport à la longueur totale de la courbe 2, on obtient un lobe de directivité à grande distance 9, très mince, en forme de crayon dont les ouvertures angulaires O dans le plan 8 et dans une direction perpendiculaire au plan 8 sont nettement inférieures à A/D. Le lobe de directivité 9 peut être unidirectionnel ou bidirectionnel selon le choix du nombre et de la disposition des éléments actifs et des déphasages entre les alimentations de ceux-ci. Dans tous les cas l'axe du lobe de directivité est perpendiculaire à l'axe x xl reliant les deux extrémités de l'oeuf et il est tangent à la courbe 2 au point de courbure maxima de celle-ci. Si la portion 2a de la courbe 2 en forme d'oeuf qui présente la courbure maxima a un rayon de courbure sensiblement constant sur une partie importante de la longueur totale de la courbe, on obtient un lobe de directivité 9 en forme d'éventail ayant une plus grande ouverture angulaire dans le plan P de la courbe de base. Dans ce cas, l'ouverture angulaire O du lobe de directivité dans le plan P est définie par l'angle que forment entre elles les deux tangentes à la courbe 2 passant par les deux extrémités de la portion 2a ayant un rayon de courbure sensiblement constant. L'ouverture angulaire 6' dans le plan perpendiculaire au plan P est nettement inférieure à A/D. La figure 4 représente une vue partielle d'une courbe en forme d'oeuf 2 ayant un petit bout 2a représenté en traits pleins qui présente un rayon de courbure constant R entre deux points A et B. Le lobe de directivité représenté en hachures a une ouverture angulaire O dans lq plan de la courbe qui est défini par les tangentes aux points A et B.L'ouverture angulaire 0' dans le plan perpendiculaire au plan de la courbe est nettement inférieure à O Si la forme de la courbe en forme d'oeuf 2 est choisie pour qu'elle comporte deux zones dans lesquelles le rayon de courbure est approximativement égal et présente une valeur maxima par rapport aux rayons de courbure des autres parties de la courbe, alors, dans ce cas, le lobe de directivité à grande distance a deux pics ou plusieurs pairés de pics bidirectionnels selon les modalités d'alimentation des éléments actifs. De multiples variations sont possibles. Si la courbe 2 est gauche mais comporte des parties planes contenues dans des plans différents, on peut alors obtenir deux ou plusieurs lobes de directivité orientés selon les plans correspondants contenant les différentes parties de la courbe. La courbe de base 2 peut être un cercle. Dans ce cas, l'antenne est omnidirectionnelle dans le plan de la courbe de base, mais elle est très directive dans un plan perpendiculaire au plan de la courbe de base. On obtient ainsi un lobe de directivité en forme de disque plat que l'on désigne du nom de lobe en forme de crêpe dont l'ouverture angulaire dans le plan perpendiculaire au plan de la courbe de base est inférieure à AtD. Ce type d'antenne convient pour suivre des objets parcourant une orbite plane. Le lobe de directivité obtenu avec une antenne selon l'invention peut présenter des lacunes dans certaines directions qui dépendent du choix des éléments actifs. Des variations de phase entre un ensemble particulier d'éléments actifs peut influencer les directions dans lesquelles se trouvent les lacunes. S'il est nécessaire de modifier l'orientation du lobe de directivité d'une antenne en réseau selon l'invention, deux méthodes sont disponibles en plus de la réorientation de l'ensemble de l'antenne et de son support. Des petits déplacements angulaires peuvent être obtenus électroniquement par des variations dans le choix et le déphasage des éléments actifs. Des modifications plus importantes peuvent être réalisées par des déformations mécaniques de la géométrie du réseau ou de la courbe de base. La figure 5 représente un autre mode de réalisation d'une antenne selon l'invention composée d'éléments rectilignes conducteurs 1 disposés en forme de cage d'écureuil entre deux disques rigides circulaires 10a, lOb en un matériau isolant électrique. Les disques lova, lOb font fonction de support matériel des éléments 1 dont les axes sont disposés le long d'une courbe de base circulaire. Comme précédemment, une majorité d'éléments 1 sont des éléments passifs. La distance entre éléments 1 et la longueur de ces éléments sont inférieurs à A/2. La figure 6 représente un autre mode de réalisation d'une antenne selon l'invention. Celle-ci comporte un support matériel plan et rigide 11 en un matériau isolant électrique, par exemple une plaque en matière plastique. Sur ce support plan sont disposés à plat, c'est-à-dire dans le plan du support 11, une pluralité d'éléments conducteurs rectilignes 12, qui sont des bouts de tiges en métal conducteur. Les milieux des éléments 12 sont disposés sur une courbe théorique 13 qui est, par exemple une ellipse d'axe x xl et y yl ou toute autre courbe fermée et lisse. Les éléments rectilignes 12 sont perpendiculaires à la courbe. Une majorité d'éléments 12 sont des éléments passifs et un petit nombre sont actifs. L'espacement entre éléments successifs et la longueur des éléments sont inférieurs à A/2. On obtient un lobe de directivité unique ou bidirectionnel qui est parallèle à l'axe y yl de la courbe. On a représenté sur la figure 6 deux éléments annulaires 14 qui remplacent des éléments rectilignes et qui sont situés dans des plans perpendiculaires à la courbe 13, de sorte qu'ils ont une faible épaisseur mesurée le long de la courbe. La courbe fermée sur laquelle sont disposés les éléments de l'antenne peut avoir des formes très variées. La figure 7 représente par exemple une courbe fermée 15 ayant deux sommets 15a et 15b représentés en traits pleins où la courbure est maxima. Dans ce cas, on obtient deux lobes de directivité, unidirectionnels ou bidirectionnels qui sont délimités dans le plan de la courbe par les tangentes aux points A et B et A1 et B1 situés aux extrémités des tronçons 15a et 15b. La figure 8 représente une autre forme possible de courbe 16 comportant une portion hélicoidale 16a de courbure sensiblement constante. Une antenne dont les éléments sont implantés le long d'une telle courbe donne un lobe de directivité conique. Les figures 9 et 10 représentent d'autres formes possibles de courbes en ferme de cacahuète ou en forme de courbes tangentes à elles-mêmes. Les conditions générales que doit remplir une antenne selon l'invention sont les suivantes. Tous les éléments de l'antenne, actifs ou passifs, sont disposés le long d'une courbe de base lisse et fermée qui n'est pas nécessairement plane. Les axes des éléments recoupent la courbe de base. Le nombre d'éléments passifs est très supérieur au nombre d'éléments actifs, de préférence. Les éléments d'antenne doivent avoir une faible épaisseur mesurée dans le sens de la courbe de base et pour cela ils sont disposés dans des plans perpendiculaires à la courbe de base. Ils peuvent avoir des formes très variées telles que des éléments en forme de fils ou de tiges rectilignes, des paires de fils ou de tiges en croix, des paires de tigs placées bout à bout et reliées entre elles par un raccord isolant électrique, des paires de tiges en forme de té, des boucles ou des anneaux fermés ou ouverts, des disques etc...... Dans tous les cas, la dimension maxima de chaque élément est inférieure à une demi longueur d'onde. Les éléments sont disposés le long de la courbe de base avec des intervalles entre éléments qui ne sont pas nécessairement égaux entre eux et qui sont inférieurs dans tous les cas à une demi longueur d'onde. Les éléments peuvent être parallèles les uns aux autres ou bien décalés angulairement de façon progressive les uns par rapport aux autres ou même décalés irrégulièrement par rapport à l'axe de la courbe de base. Dans tous les cas, chaque élément est situé sensiblement dans un plan perpendiculaire à la tangente à la courbe de base. Les lc bes de directivité à grande distance de chaque antenne varient avec le choix du nombre, de la forme et de la taille des éléments d'antenne, de leur espacement, du choix de nombre et de la position des éléments actifs, du type d'alimentation de ceux-ci, notamment des déphasages, du choix de la forme et de la taille de la courbe de base. REVENDICATIONS 1. Antenne électromagnétique émettrice ou réceptrice très directive, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité d'éléments conducteurs (1) qui sont disposés le long d'une courbe et de base ferméetlisse (2) dans des plans perpendiculaires à ladite courbe de base, la dimension de chaque élément et l'espacement entre les éléments successifs étant inférieurs à la demi longueur d'onde à capter ou à émettre. 2. Antenne électronique selon la revendication l,carac- térisée en ce que la majorité desdits éléments sont des éléments passifs. 3. Antenne électromagnétique selon la revendication 2, caractérisée en ce que le nombre d'éléments passifs est supérieurs à dix fois le nombre d'éléments actifs. 4. Antenne électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdits éléments conducteurs sont fixés sur un support rigide (8, 11) en un matériau isolant électrique. 5. Antenne électromagnétique selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite courbe de base (2) est plane. 6. Antenne électromagnétique selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite courbe est un cercle et ladite antenne présente un lobe de directivité à grande distance en forme de disque omnidirectionnel dans le plan dudit cercle et très étroit dans la direction perpendiculaire audit cercle. 7. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite courbe de base (2) est une ellipse et ladite antenne présente un lobe de directivité unidirectionnel ou bidirectionnel dont l'axe est parallèle au petit axe de l'ellipse. 8. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite courbe de base (2) est en forme d'oeuf et ladite antenne présente un lobe de directivité à grande distance de faible ouverture angulaire dont l'axe est perpendiculaire à l'axe (x xl) reliant les deux extrémités de ladite courbe en forme d'oeuf. 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite courbe de base (2)'est gauche.