Brevet FR2676311A1 — publié le 19921113

Antenne à polarisation circulaire La présente invention concerne une antenne produisant, en pola- risation circulaire, un diagramme de rayonnement de révolution autour d'un axe et présentant un minimum de rayonnement dans la direction de cet axe. Le plus souvent, les antennes de ce type sont réalisées au moyen d'une configuration de conducteurs à plusieurs brins disposés en tourniquet autour de l'axe de l'antenne, chacun des brins étant excité séparément par une ligne issue d'un répartiteur. De telles antennes sont par exemple décrites par N T Linden- blad dans Antennas and Transmissions Lines at the Empire State Building Television Station, in RCA Communications, avril 1941, (o quatre dipôles sont excités en phase séparément, chacun par une ligne propre), par M S Gatti et D J Nybakken dans A Circularly Polarized Crossed Drooping Dipole Antenna, in IEEE Antennas and Propagation Symposium Digest, 7-11 mai 1990, Vol 1, pp 254-257, et par C C Kilgus dans Shaped-Conical Radiation Pattern Perfor- mance of the Backfire Quadrifilar Helix, in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Mai 1975 (o quatre brins sont excités à partir d'un système diviseur de puissance et déphaseur avec des phases respectives de 0, 90, 180 et 2700). Les antennes de ce type sont par exemple utilisées couramment sur les satellites pour les liaisons de télémesure et de télécomman- de, ainsi que sur des mobiles terrestres et maritimes, notamment pour les systèmes de localisation ou de communication par satellites. On sait également réaliser des antennes du type précité sous forme d'antennes imprimées à fente, mais celles-ci nécessitent un circuit d'adaptation complexe. Les principaux inconvénients de ces diverses antennes connues sont leur complexité, leur relative fragilité et le coût élevé du sys- tème d'excitation, qui est typiquement un système à quatre voies impliquant la mise en place de dispositifs assurant des fonctions à la fois de division de puissance, de déphasage et de symétrisation. L'un des buts de la présente invention est de proposer une anten- ne du type précité, c'est-à-dire produisant en polarisation circulaire un diagramme de rayonnement qui soit de révolution autour d'un axe avec un minimum selon cet axe (par exemple un diagramme de forme plus ou moins toroïdale), mais avec une structure beaucoup plus simple et un système d'excitation directe ne nécessitant aucun dispositif de division de puissance, de déphasage, ni de symétrisa- tion. Subsidiairement, l'un des buts de la présente invention est de proposer un tel type d'antenne dont la direction du maximum de rayonnement puisse être ajustée par un choix simple de paramètres, permettant ainsi de constituer sans difficulté à partir d'une même structure de base toute une famille d'antennes, adaptées aux diffé- rentes applications envisagées. À cet effet, l'antenne selon l'invention comprend: une surface conductrice réflectrice, essentiellement de révolution autour de l'axe; un brin conducteur rectiligne, s'étendant axialement depuis une première extrémité, située au niveau de cette surface conduc- trice et isolée de celle-ci, jusqu'à une seconde extrémité, ce brin con- ducteur étant relié à sa première extrémité à une ligne d'alimenta- tion; et une pluralité de bras rayonnants, comportant chacun une première partie s'étendant essentiellement dans un plan radial depuis la seconde extrémité du brin conducteur, cette première par- tie étant, à son extrémité proximale, électriquement reliée de façon directe au brin conducteur et étant, à son extrémité distale, prolon- gée par une seconde partie en forme de brin curviligne s'inscrivant typiquement sur une sphère centrée à ladite seconde extrémité et dont la direction générale est inclinée par rapport audit plan radial. On va maintenant décrire un exemple de réalisation de l'inven- tion, en référence à la figure unique annexée qui montre, en perspec- tive, la configuration générale de l'antenne de l'invention. Comme on peut le voir sur la figure, l'antenne de l'invention pré- sente une symétrie globale autour d'un axe 1, qui sera l'axe de révo- lution du diagramme de rayonnement, cet axe correspondant en ou- tre à la direction du minimum de rayonnement de ce diagramme (dans la suite, on considérera cet axe comme " vertical ", mais il ne s'agit bien entendu là que d'une pure convention de commodité à des fins descriptives, cette caractéristique n'étant que purement relative et ne préjugeant en aucune façon l'orientation spatiale absolue de l'antenne). Cet axe est également un axe de symétrie pour une surface con- ductrice 2, d'orientation générale horizontale, jouant électriquement le rôle de " plan de sol ", sans que cette terminologie soit limitative, cette surface pouvant prendre plusieurs formes. En particulier: elle peut être plane ou non plane, elle peut être formée d'une surface continue ou bien d'un sim- ple grillage (avec une valeur de maille de l'ordre de 0,2 X ou moins), son contour peut être circulaire ou polygonal. Les seules contraintes sont, pour cette surface réflectrice, qu'elle soit électriquement conductrice (pour jouer le rôle de réflecteur) et essentiellement de révolution (pour que le diagramme de rayonne- ment présente aussi cette caractéristique), un contour polygonal pouvant être assimilé, du point de vue radioélectrique et en premi- ère approximation, à un contour circulaire. L'antenne est reliée à une excitation 3, par exemple une excita- tion coaxiale comportant une armature 4 et une âme centrale 5; l'armature 4 est électriquement reliée à la surface conductrice 2, tandis que l'âme 5, portée à un potentiel différent de celui de la sur- face 2, débouche de cette dernière vers le haut et se prolonge en un brin conducteur rectiligne central 6, perpendiculaire à la surface conductrice 2 et coïncidant avec l'axe 1 Ce brin vertical 6 se com- porte donc, du point de vue électrique, comme un monopôle excité à sa base 7 par le coaxial 3 et chargé par la structure supérieure. A son extrémité opposée 8, ce monopôle est relié à N brins hori- zontaux 9 (par exemple N = 4 ou plus), se déduisant les uns des autres par rotation de 27 r/N À leur extrémité distale, ces brins hori- zontaux 9 sont prolongés chacun par un brin curviligne respectif 10, incliné vers le bas (c'est-à-dire formant un angle avec le plan hori- zontal 11 contenant les brins rectilignes 9), et constitué d'un arc de cercle qui s'étend à partir d'une de leurs extrémités et qui s'inscri- rait sur une sphère centrée à l'extrémité 8 du monopôle 6. i est à noter que ces différents éléments 6, 9 et 10 sont électri- quement reliés de façon directe, c'est-à-dire que l'on n'introduit au- cun circuit déphaseur, symétriseur, etc, ni au niveau de la liaison entre les différents éléments, ni à celui de la liaison de l'élément rayonnant 6 avec le conducteur d'excitation 3 Ceci simplifie grande- ment la réalisation à la fois électrique et mécanique de cette antenne de l'invention (le seul composant électrique éventuellement nécessaire est un dispositif d'adaptation d'impédance de la ligne d'excitation 3 à l'antenne, que l'on placerait alors à la base du brin central 6, ou dans le dispositif d'alimentation de l'émetteur/récep- teur). Le principe de fonctionnement de cette antenne est le suivant. Le brin vertical 6 rayonne comme un monopôle en polarisation verticale; les brins rectilignes horizontaux 9 contribuent, en revan- che, assez peu au rayonnement par raison de symétrie, et les brins curvilignes 10 rayonnent une composante linéaire horizontale arri- vant essentiellement en quadrature avec la composante verticale produite par le brin vertical 6, ainsi qu'une composante verticale, plus réduite, servant de composante d'appoint. La composition de ces différents rayonnements produit le rayon- nement en polarisation circulaire recherché. Le sens de la polarisation circulaire est fixé par le sens angulaire vers lequel sont tournés les brins curvilignes 10 Si l'on souhaite ajuster cette polarisation, ou la changer de sens, on peut rendre mo- biles les brins 10 par rapport aux brins 9, de manière à faire varier le sens et la valeur de l'angle d'inclinaison de ces brins curvilignes avec le plan horizontal 11. En ce qui concerne les dimensions, les principales valeurs typi- ques sont: longueur du monopôle 6: X/2, cette valeur pouvant être éven- tuellement modifiée pour ajuster la direction (angle de site) du maximum de rayonnement; longueur des brins 9: X/4; longueur (dimension curviligne) typique des brins 10: 7 ?d 20; diamètre de la surface conductrice 2: 1,2 X, cette valeur pou- vant être éventuellement modifiée pour ajuster la direction du maximum de rayonnement; rayon du brin 6: par exemple 0,075 À; - inclinaison des brins 10 par rapport au plan horizontal 11 par exemple 250, cette valeur pouvant être éventuellement modifiée pour ajuster les paramètres de polarisation. Une antenne réalisée selon ces enseignements, applicable à des fréquences pouvant aller jusqu'au domaine des hyperfréquences ( 10 à 20 G Hz), présente un gain d'au moins 1,5 d B pour des angles de site compris entre 10 et 50 par rapport à l'horizontale, avec une bonne caractéristique d'omnidirectionnalité. Diverses variantes ou compléments sont bien entendu envisa- geables. Notamment, les différents brins horizontaux 9 (qui ne sont pas destinés à contribuer au rayonnement) peuvent être remplacés par une surface métallique conductrice continue (par exemple une pla- que métallique, une plaque imprimée, une grille conductrice, etc) en périphérie de laquelle viendront se relier les brins curvilignes 10. REVENDICATION Une antenne produisant, en polarisation circulaire, un diagram- me de rayonnement de révolution autour d'un axe ( 1) et présentant un minimum de rayonnement dans la direction de cet axe, caractérisée en ce qu'elle comprend: -une surface conductrice réflectrice ( 2), essentiellement de ré- volution autour de l'axe, -un brin conducteur rectiligne ( 6), s'étendant axialement de- puis une première extrémité ( 7), située au niveau de cette sur- face conductrice et isolée de celle-ci, jusqu'à une seconde extré- mité ( 8), ce brin conducteur étant relié à sa première extré- mité à une ligne d'alimentation ( 4, 5), et une pluralité de bras rayonnants ( 9, 10), comportant chacun une première partie ( 9) s'étendant essentiellement dans un plan radial ( 11) depuis la seconde extrémité du brin conduc- teur, cette première partie étant, à son extrémité proximale, électriquement reliée de façon directe au brin conducteur et étant, à son extrémité distale, prolongée par une seconde par- tie ( 10) en forme de brin curviligne s'inscrivant typiquement sur une sphère centrée à ladite seconde extrémité et dont la direction générale est inclinée par rapport audit plan radial.