Brevet FR2644937A1 — publié le 19900928

264493? La présente invention concerne une antenne élec- tromagnétique à rayonnement omnidirectif transversal en po- larisation circulaire droite ou gauche. D'une façon générale, les antennes connues de ce genre, telles que hélices simples, dipoles croisés, dipoles croisés repliés, hélices quadrifilaires, spirales d'Archimède, spirales coniques, spirales logarithmiques, et antennes planes (patch) ne rayonnent en polarisation cir- culaire que selon leur axe principal de révolution et ne peuvent assurer une couverture omnidirective en azimut car l'énergie rayonnée transversalement est par construction quasiment inexistante. Pour obtenir un rayonnement latéral avec ce genre d'antennes, il faut les grouper par trois ou quatre d'un nmé- me type sur les faces d'un support triangulaire ou carré, mais dans ce cas, l'éloignement obligatoire entre les cen- tres de phase des antennes élémentaires crée des ondulations importantes de la couverture en azimut et une variation non négligeable du taux d'ellipticité de l'énergie rayonnée. Les stations d'émission ou de réception pour les satellites défilants, impliquent l'utilisation d'une antenne en polarisation circulaire sous l'horizon à couverture omni- directive. Actuellement, un grand nombre de messages sont perdus ou erronés car pour les sites bas (cas défavorable), les antennes "sol" ou "embarquées" ne rayonnent latéralement qu'une faible énergie en polarisation rectiligne. Le manque d'énergie aux sites bas et la rotation du plan de polarisa- tion ont pour conséquence la rupture des liaisons et donc des messages. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des antennes connues en proposant une antenne qui permette d'obtenir une couverture omnidirective en azi- mut. en polarisation circulaire droite ou gauche, et dans laquelle les composantes transversales des champs rayonnés et H soient en quadrature et à leur maximum d'amplitude de 264493? manière à obtenir un maximum d'énergie rayonnée transversa- lement en polarisation circulaire. Un autre but de l'invention est de proposer une antenne omnidirective en azimut qui rayonne un maximum d'énergie transversale en polarisation circulaire droite ou gauche dans un large c6ne axe sur l'horizon. Ces buts sont atteints au moyen d'une antenne com- prenant au moins deux éléments d'antenne en polarisation rectiligne horizontale espacés sensiblement uniformément dans un premier plan et de façon concentrique à un troisième élément d'antenne en polarisation rectiligne verticale situé dans un second plan sensiblement perpendiculaire au premier, lesdits éléments d'antenne étant chacun alimenté radioélec- triquement par des courants sensiblement de même phase et de i5 même amplitude, les centres de phase des éléments d'antenne en polarisation rectiligne horizontale et le centre de phase de l'élément d'antenne en polarisation rectiligne verticale étant sensiblement distants d'un nombre impair de quarts d'onde dans le sens de propagation de l'onde. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, les élérments d'antenne à polarisation horizon- tale sont du type dipole demi-onde et l'élément d'antenne à polarisation verticale est du type dipole ou monopole. Selon une première caractéristique avantageuse de l'invention, le volume contenant lesdits éléments d'antenne à polarisations horizontale et verticale est rempli d'un ma- tériau diélectrique isotrope, les centres de phase des élé- ments d'antenne à polarisation horizontale et le centre de phase de l'élément à polarisation verticale étant distant d'un quart d'onde ou d'un nombre impair de quarts d'onde dans le milieu de propagation diélectrique et selon le sens de propagation de l'onde. Selon une variante de réalisation de l'invention, lesdits éléments d'antenne à polarisations verticale et ho- rizontale sont disposés au-dessus d'un plan réflecteur mé- taellique. De préférence, l'antenne conforme à l'invention comprend trois éléments d'antenne à polarisation horizonta- le. Selon une variante de réalisation de l'invention, chaque élément d'antenne à polarisation horizontale comprend deux éléments conducteurs, de forme rectiligne ou en arc de cercle, disposés à la périphérie d'un plateau isolant, de part et d'autre de celui-ci, interconnectés par un cavalier conducteur de liaison et reliés par l'intermédiaire d'éléments symétriseurs radiaux à une tête radiale de trans- formateur d'impédance commune aux autres éléments. d'antenne à polarisations horizontale et verticale. L'invention vise également une application de l'antenne précitée aux transmissions tout azimut sol-sol, sol-air, sol-mer, mer-air, mer-sol, mer-mer, air-sol, air- mer, air-air en milieu environnant perturbé ainsi qu'une ap- plication de cette antenne à la réalisation d'un émetteur FM de puissance réduite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: La Figure I est une vue en perspective d'une an- tenne conforme à l'invention, La Figure 2 est une vue en coupe axiale de l'antenne de la Figure I selon un plan passant par l'une des antennes demi-onde dipole de l'antenne conforme à l'invention, La Figure 3 est une vue selon le plan 111-111 de la Figure 2, La Figure 4 est une vue d'un détail de la Figure 2, à échelle agrandie, illustrant l'alimentation radio- fréquence d'une antenne demi-onde dipole, a Figure 5 est un schéma électrique équivalent illustrant le principe de l'alimentation radioélectrique de l'antenne conforme à l'invention, et Les Figures 6 à 10 représentent une antenne conforme à l'invention selon diverses variantes de réalisa- tion. Le dimensionnement des éléments constitutifs de l'antenne représentée aux dessins annexés, peut être facile- ment déterminé à partir des valeurs des paramètres exprimées dans la description ci-après, en fonction de la longueur d'onde de travail 0o dans l'air. Dans le cas o, pour des raisons de tenue mécanique, les éléments d'antenne sont noyés dans un milieu électriquement isolant de constante diélectrique relative E r, il y aura lieu d'appliquer un coefficient de raccourcissement K (qui dépend en particulier de úr). A la Figure 1, les éléments repérés 1, 2, 3 et 4 forment l'ensemble rayonnant supérieur, en polarisation rec- tiligne verticale, du type antenne à manchette. Ces éléments sont coaxiaux. es éléments 1, 2, 3 et 4 sont métalliques et sou- dés entre eux pour établir une continuité radio-électrique, l'élément 2 étant un élément coaxial d'alimentation en éner- gie qui est recouvert par un matériau électriquement isolant de nature appropriée 26. Les paires respectives d'élérents électriquement conducteurs (par exemple réalisés en cuivre) 5 et 6, 7 et 8 et 9 et 10, conformés en arc de cercle ou section de tore, forment trois antennes demi-onde en polarisation rectiligne horizontale alimentées en leur centre par des éléments de symétrisation de courant respectivement repérés 11, 12 et 13. Les paires d'éléments rayonnants précités sont solidari- sées à la périphérie d'un plateau support 25 en matériau électriquement isolant (par exemple en résine époxyde) et coaxial à l'élJment d'antenne à manchette précité, et sont régulièrement angulairement disposées à la périphérie de ce plateau. Chaque paire d'éléments rayonnants précitée 5 à i0 comprend un élément disposé sur la face supérieure 25a du plateau 25 et un élément disposé contre la face inférieure 25b du plateau 25, les deux éléments d'une même paire étant électriquement reliés par un cavalier conducteur tel que ce- lui repéré 17 à la Figure 2. Le plateau 25 comprend égale- mnent trois découpes circulaires 25c régulièrement angulairement espacées, chaque découpe circulaire 25c s'étendant entre deux éléments de symétrisation radiaux ad- jacents. En variante, les éléments 5 à 10, de préférence sous forme de conducteurs pleins, peuvent se présenter sous forme de segments de droite (voir Figure 6). -es éléments d'antenne à polarisation horizontale peuvent aussi n'être qu'au nombre de 2 et disposés comme schématiquement repré- sentés aux Figures 7 et 8. Pour une antenne de petites dimensions, le pla- teau 25 n'est pas indispensable et l'antenne sera alors au- toporteuse. La forme de réalisation représentée à la Figure 1 correspond à une antenne à polarisation circulaire droite. Par simple permutation circulaire des conducteurs respecti- vement 5 et 6, 7 et 8, 9 et 10, on obtient une antenne à po- larisation circulaire gauche. Les découpes radiales oblongues 25d du plateau 25 logeant les éléments symétriseurs Il à 13 permettent de ne pas modifier la "longueur électrique" desdits symétriseurs et d'éviter les aberrations de fonctionnement. Selon une autre variante de réalisation, les élé- ments d'antenne à polarisation horizontale AI à A3 peuvent être réalisés sous forme d'un circuit imprimé. En outre, ainsi que représenté schématiquement à la Figure 9, chaque élément d'antenne AI à A4 peut être réa- lisé sous forme d'élément plan connu de l'homme du métier. L'édlément nmétallique repéré 16 (voir Figure 1), coaxial au plateau 25 et à I'antenne à manchette repérée A4 à la Figure I (les éléments rayonnants en polarisation rec- tiligne horizontale étant respectivement repérés Al, A2 et A3), forme l'armature extérieure des circuits d'alimentation des quatre éléments d'antenne précités et est prolongé, du côté opposé à l'élément d'antenne A4, par un organe support métallique 14, également coaxial au plateau 25, et par un connecteur coaxial d'extrémité 15 qui peut également être utilisé comme support d'une enveloppe 40 (représentée par- tieilement en trait mixte à la Figure 1) logeant l'antenne et de préférence remplie d'une mousse de polyuréthanne, ou d'un plan réflecteur métallique 41 représenté en trait mixte à la Figure 2. En variante, la mousse polyuréthanne précitée pourrait être remplacée par un matériau diélectrique ou ma- gnétique permettant de réduire les dimensions physiques des éléments d'antenne. Les découpes 25c permettent ainsi un bon remplis- sage de l'enveloppe 40 malgré la présence du plateau 25. Sensiblement en regard du plateau 25, l'antenne conforme à l'invention comprend également, coaxiale à celui- ci, la tête intérieure 22 du transformateur d'impédance qui reçoit les âmes coaxiales d'alimentation radio-fréquence (RF) de l'antenne en polarisation verticale A4, c'est-à-dire l'âme coaxiale repérée 20, et des trois antennes AI à A3 en polarisation horizontale, c'est-à-dire les âmes coaxiales repérées 19 qui s'étendent, en regard de la tête 22 préci- tée, perpendiculairement à l'âme coaxiale 20 de l'antenne A4. La tête 22 dudit transformateur d'impédance est prolongée vers le bas par un élément cylindrique métallique 23 qui constitue la section de transformation de l'antenne selon l'invention et qui est maintenu en place à l'intérieur d'un manchon cylindrique isolant 24 également coaxial au plateau 25, en particulier. Le conducteur 23 est prolongé vers le bas, c'est-à-dire vers le connecteur coaxial 15, par un élément cylindrique métallique 18 qui constitue la ligne d'alimentation coaxiale 50 ohms de l'antenne. Selon une variante de réalisation, les éléments symétriseurs 11 à 13 peuvent être interconnectés au point 2 de sorte que la tête d'impédance 22 se trouve ramenée en ce point 2. A l'exclusion des éléments repérés respectivement 24 à 27 qui sont réalisés en matériau électriquement iso- lant, de nature appropriée (téflon, polyéthylène ou cérami- que), tous les autres éléments constitutifs de l'antenne sont réalisés en matériau conducteur des courants radio- fréquence et interconnectés entre eux de manière que, si l'antenne est alimentée en courant continu, tous les points de la structure métallique de cette antenne soient au même potentiel. Les éléments radiaux de symétrisation repérés Il et 11' (voir Figures 2 et 4) ou 11, 12 et 13 (voir Figure 1) forment avec les cavaliers d'interconnexion repérés 17 (voir Figures 1, 2 et 4) et les manchons isolants 27 entou- rant les conducteurs de symétrisation précités (voir Figure 4), des symétriseurs du type "trombone" qui permettent l'alimentation radiofréquence des éléments rayonnants en polarisation horizontale respectivement 5, 6; 7, 8 et 9, 10. Les Figures 4 et 5 représentent le principe de l'alimentation radio-électrique de l'antenne. La Figure 4 illustre en particulier le détail de l'alimentation radio- fréquence des éléments rayonnants en polarisation horizonta- le avec l'utilisation d'un symétriseur du type trombone connu en lui-même. Il peut bien entendu être utilisé tout autre type de symétriseur (par exemple du type bazooka). Les potentiels VD et les phases D (voir Figure 4) doivent être identiques en 17 pour chacune des antennes en polarisation horizontale. De plus, il est nécessaire que la phase en 2 soit identique à la phase CFD et que l'amplitude en ce point soit très peu différente. Les antennes en polarisation horizontale sont pla- cées sur un cercle de rayon à la fréquence de -j /_ travail ou sur un cercle de rayon 4, expression dans laquelle n est impair et vaut 1, 3, 5 etc... et gr = I pour l'air. L'antenne en polarisation verticale est dimension- née pour être accordée à la fréquence de travail selon les calculs classiques liés aux antennes et connus de l'homme du métier. Il en est de même pour les éléments rayonnants en polarisation horizontale qui sont accordés à la fréquence de travail. L'antenne conforme à l'invention peut fonctionner dans une bande de fréquence relativement importante (environ %) si on dimensionne les éléments rayonnant en consequen- ce. A cet effet, les trajets coaxiaux repérés 21, Il et 11' (voir Figure 2) doivent avoir une "longueur électrique" identique de sorte que les phases Ad en 2 et 17 soient el- les aussi identiques. La répartition des impédances aux points repérés et 22 (Figure 2) est telle que l'amplitude et la phase du champ radio-électrique produit dans une direction de l'espace par l'élément en polarisation verticale A4 (direction parallèle b cet élément) et l'amplitude et la phase du champ produit en 17 par les éléments en polarisa- tion horizontale AI à A3 soient identiques. Le transformateur 21 permet d'obtenir les résul- tats précités et le transformateur 23 permet de ramener l'impédance de l'antenne conforme à l'invention à 5U ohms. Un prototype d'antenne selon l'invention a été réalisé par le déposant, à l'aide de dipoles demie-onde dans une bande de fréquence comprise entre 2, 3 et 2,6 GHz. Dans ce cas, le gain mesuré par rapport à l'isotrope circulaire est égal à 4 dB dans la bande de fréquence précitée et le taux d'ellipticité à 900 de l'axe longitudinal, inférieur à I dB. Le ROS (rapport d'onde stationnaire) dans la bande précitée est inférieur à 1,6 par rapport à 50 ohms. La cou- verture azimut est omnidirective à + 0,5 dB et la couverture site varie dans la bande 2,3-2,6 GHz de 60 à 70 d'ouverture à 1/2 puissance. Dans ce cas également, le maximum d'énergie est dirigé sur l'horizon. L'élément rayonnant en polarisation verticale A4 est calculé cornmme un dipole à manchette demie-onde classique. Les dimensions I1 et 12 (voir Figure 2) sont fonction du rapport l/ea (longueur sur diamètre) sachant que 1 + 12 est toujours légèrement inférieur à o: longueur d'onde de travail). Le diamètre des éléments rayonnants 5, 6; 7, 8 et 9, 10 des trois antennes demie-onde A1 à A3 en polarisation horizontale joue également sur la longueur des demi-éléments r x Oi (voir Figure 3) et dans ce cas, on obtient rx légèrement inférieur h o Le diamètre 2 x r de disposition des trois élé- ments rayonnants demie-onde à polarisation horizontale est égal à Xo dans l'air et à x( r) dans un milieu de permitivité relative 6r Pour un fonctionnement optimal de l'antenne, il est reconmmandé que le diamètre de l'élément rayonnant à po- larisation verticale soit inférieur à,ao. Pour que chacune des antennes soit alimentée par des courants de même amplitude et de même phase, la longueur des éléments coaxiaux d'alimentation repérés 4 pour l'élément d'antenne A4 et 11, 12, 13 pour les trois éléments d'antenne horizontaux doivent être rigoureusement identiques c'est-à-dire Il = 12 = 13 = 14. Une application particulièrement intéressante de l'antenne conforme à l'invention, que l'on peut qualifier d'antenne omnidirective à polarisation circulaire transver- sale et à maximum de gain sous l'horizon, se situe dans le domaine des transmissions tout azimut sol-sol, sol-air, sol- mer, air-sol, air-mer, air-air, mer-sol, mer-air, mer-mer, en milieu environnant perturbé. L'utilisation d'une antenne en polarisation circulaire pour de telles transmissions qui impliquent une énergie maximale sous l'horizon, permet de limiter considérablement la gêne apportée par l'environnement perturbateur, puisqu'en cas de réflexion sur un obstacle métallique proche, il y a inversion de la pola- risation de l'onde réfléchie. La variante de réalisation représentée à la Figure est également possible. Dans ce cas, chaque dipole à po- larisation horizontale (un seul est représenté Figure 10) est supporté axialement par deux éléments symétriseurs ver- ticaux, par rapport à un plateau réflecteur de base commun 41. On notera que les centres de phase des éléments d'antenne à polarisation horizontale se sitJent aux points repérés 17 tandis que le centre de phase de l'élément à po- larisation verticale se situe au point 2. Une autre application particulièrement intéressan- te de l'antenne conforme à l'invention, est la réalisation d'un émetteur FM de puissance réduite. Les signes de référence insérés après les caracté- ristiques techniques mentionnées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces der- nières, et n'en limitent aucunement la portée. [[ REVENDICATIONS 1. Antenne omnidirective, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux éléments d'antenne (A1, A2, A3) en polarisation rectiligne horizontale espacés sensible- ment uniformément dans un premier plan et de façon concen- trique à un troisième élément d'antenne (A4) en polarisation rectiligne verticale situé dans un second plan sensiblement perpendiculaire au premier, lesdits -éléments d'antenne étant chacun alimentés radio-électriquement par des courants sen- siblement de même phase et de même amplitude, les centres de phase (17) des éléments d'antenne en polarisation rectiligne horizontale et le centre de phase (2) de l'élément d'antenne en polarisation rectiligne verticale étant sensiblement dis- tants d'un nombre impair de quarts d'onde dans le sens de propagation de l'onde. 2. Antenne omnidirective selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments d'antenne à polarisation horizontale (A1-A3) soit du type dipole demi-onde. 3. Antenne omnidirective selon l'une des revendi- cations I ou 2, caractérisée en ce que l'élémrent d'antenne à polarisation verticale (A4) est du type dipole ou monopole. 4. Antenne omnidirective selon l'une des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce que le volume conte- nant lesdits éléments d'antenne à polarisations horizontale et verticale est rempli d'un matériau diélectrique isotrope, les centres de phase (17) des éléments d'antenne à polarisation horizontale et le centre de phase (2) de l'élément d'antenne à polarisation verticale étant distants d'un quart d'onde ou d'un nombre impair de quarts d'onde dans le milieu de propagation diélectrique et selon le sens de propagation de l'onde. 5. Antenne omnidirective conforme à l'une des re- vendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits éléments d'antenne à polarisations verticale et horizontale sont disposés audessus d'un plan réflecteur métallique (41). 6. Antenne omnidirective selon l'une des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend trois éléments d'antenne à polarisation horizontale (AI, A2, A3). 7. Antenne omnidirective, caractérisée en ce qu'elle comprend trois antennes demi-onde à polarisation horizontale espacées sensiblement uniformément dans un même plan et disposées de façon concentrique à une quatrième an- tenne monopole ou dipole à polarisation verticale et située dans un plan sensiblement perpendiculaire à celui desdites antennes demi-onde, ces quatres antennes étant alimentées par des courants de même phase et de même amplitude, le dia- mètre du cercle contenant les trois antennes demi-onde i5 étant sensiblement égal à une demie longueur d'onde dans l'air à la fréquence moyenne de travail. 8. Antenne omnidirective selon la revendication 7, dans laquelle l'ensemble desdits éléments d'antenne est noyé dans un milieu diélectrique homogène, caractérisée en ce que le diamètre dudit cercle est inférieur à ladite demi-lon- gueur d'onde de travail, ou à un nombre impair de quarts d'onde. 9. Antenne selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que chaque élément d'antenne à polarisation horizontale comprend deux éléments conducteurs, de forme rectiligne ou en arc de cercle, disposés à la péri- phérie d'un plateau isolant (25), de part et d'autre de celui-ci, interconnectés par un cavalier conducteur de liai- son (17) et reliés par l'intermédiaire d'éléments symétri- seurs radiaux (11-13) à une tête (22) de transformateur d'impédance commune aux autres éléments d'antenne à polari- sations horizontale et verticale. 10. Antenne selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que l'élément d'antenne (A4) à polarisation verticale est du type antenne à manchette. 11. Antenne selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que la tête (22) dudit transfor- mateur d'impédance de l'antenne est située au centre de phase (2) de l'élément d'antenne à polarisation verticale. 12. Antenne selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce qu'elle est logée dans une enve- loppe (40) remplie d'une mousse de polyuréthanne. 13. Antenne selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que les éléments d'antenne à po- larisation horizontale Ai à A3) sont placés sur un cercle de rayon égal à - -, expression dans laquelle n est impair et vaut 1, 3, 5 etc...., À est la longueur d'onde de travail et Or la constante diélectrique du mi- lieu dans lequel est disposée l'antenne. 14. Antenne selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que la longueur de chaque élément conducteur ( -10) constituant les éléments d'antenne à pola- risation horizontale, est sensiblement inférieure à A étant la longueur d'onde de travail. 15. Antenne selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que le diamètre de l'élément d'antenne à polarisation verticale (A4) est inférieur à >À étant la longueur d'onde de travail. 16. Antenne selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que les éléments d'antenne à po- larisation horizontale (AI à A3) sont disposés sur un circuit imprimé. 17. Antenne selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que les éléments d'antenne à po- larisations verticale et horizontale sont des éléments plans. 18. Application d'une antenne omnidirective selon l'une des revendications précédentes aux transmissions tout azimut sol-sol, sol-air, sol-mer, mer-sol, mer-air, mer-mer, air-sol, air-mer et air-air en milieu environnant perturbé. 19. Application d'une antenne selon l'une des re- vendications I à 17, à la réalisation d'un émetteur FM de puissance réduite.