Brevet FR2794290A1 — publié le 20001201

ANTENNE A POLARISATION VERTICALE La présente invention se rapporte aux antennes à polarisation verticale, comportant une structure porteuse verticale, de forme allongée et des éléments dipôles situés à différents niveaux le long de la structure et couplés à un câble coaxial d'alimentation. Le document WO 97/45892 divulgue une telle antenne, en particulier une antenne omnidirectionnelle en azimut, ayant au moins deux éléments dipôles situés à un même niveau sur la structure verticale. Les éléments dipôles et des réseaux associés d'alimentation à partir du câble coaxial sont intégrés à la structure en constituant un ensemble symétriseur. La structure de cette antenne connue est constituée par deux profilés métalliques identiques, qui sont parallèles et à une distance bien définie l'un de l'autre et sont ainsi assemblés par des joints isolants. Ces profilés comprennent chacun une partie centrale en forme de gouttière longitudinale et deux branches latérales opposées et planes. Ils sont assemblés dos à dos, en ayant les deux gouttières tournées vers l'extérieur et leurs branches planes disposées deux à deux face à face et séparées par la distance définie entre les profilés. Les éléments dipôles et leurs réseaux associés d'alimentation sont usinés dans les branches planes des deux profilés, les deux brins de chaque élément dipôle étant usinés dans deux branches assemblées face à face et étant convenablement pliés pour constituer l'élément dipôle lors de l'assemblage des deux profilés. Le câble coaxial d'alimentation aboutit à l'une des extrémités de cette structure. Son conducteur extérieur est connecté électriquement à un premier des deux profilés. Son conducteur intérieur est connecté électriquement à un conducteur auxiliaire, monté dans la gouttière de ce même premier profilé et maintenu à distance des parois de cette gouttière pour reconstituer la structure coaxiale d'alimentation. Il s'étend ainsi jusqu'à mi-hauteur du premier profilé, d'o il est connecté au deuxième profilé par un connecteur coaxial, pour permettre d'alimenter symétriquement les éléments dipôles situés de part et d'autre du plan transversal médian de la structure d'antenne en formant un ensemble symétriseur. Une telle antenne génère un signal polarisé verticalement, qui est omnidirectionnel en azimut dès lors que l'antenne comporte au moins deux éléments dipôles par niveau vertical. Elle génère un signal polarisé verticalement, qui est directionnel en azimut si l'antenne ne comporte qu'un seul élément dipôle à chaque niveau vertical. Le signal azimutal polarisé verticalement de cette antenne présente aussi une composante croisée de polarisation, qui est horizontale et inhérente aux antennes à polarisation verticale munies d'éléments dipôles et est due notamment au rayonnement de parties métalliques horizontales de l'antenne. Cette composante horizontale de polarisation, bien que plus faible que la composante verticale principale et se situant en général à un niveau de l'ordre de 12 à 15 dB au-dessous de celle-ci, est en tant que telle indésirable car susceptible de perturber d'autres types d'antennes avoisinantes. L'antenne connue précitée est par ailleurs de réalisation relativement complexe et coûteuse. En outre, elle n'est utilisable qu'aux basses et moyennes fréquences du fait de sa réalisation en structure mécanique. La présente invention a pour but de réaliser une antenne à polarisation verticale, dont la conception est simple et permet de minimiser la composante croisée de polarisation verticale. Elle a aussi pour but de permettre la réalisation de l'antenne aussi bien en structure mécanique qu'en circuit imprimé, pour son utilisation aux basses et moyennes fréquences ou aux hyperfréquences. La présente invention a pour objet une antenne à polarisation verticale, comportant une structure porteuse verticale de forme allongée et des éléments dipôles situés à différents niveaux le long de la structure et couplés à un câble coaxial d'alimentation, caractérisée en ce qu'elle comporte un seul élément par niveau et en ce que lesdits éléments dipôles sont coplanaires, sensiblement colinéaires et inversés les uns par rapport aux autres sur une face dite avant de 3 0 l'antenne. Ladite antenne peut aussi présenter au moins l'une des caractéristiques additionnelles suivantes: - Lesdits éléments dipôles sont agencés en deux groupes et inversés d'un groupe à l'autre. - L'antenne comporte un plan de masse latéral par rapport à chaque groupe d'éléments dipôles et coplanaire avec ceux-ci et une ligne d'alimentation latérale par rapport à chaque groupe d'éléments dipôles et située dans un plan distinct du plan de masse mais parallèle à celui- ci, ledit plan de masse et ladite ligne d'alimentation présentant chacun un premier tronçon d'un premier côté le :0 long de l'un desdits groupes d'éléments dipôles, un deuxième tronçon de l'autre côté le long de l'autre groupe et un tronçon médian de continuité passant entre les deux groupes, et comporte, en outre, des projections prévues sur lesdits premier et deuxième tronçons dudit plan de masse et de ladite ligne d'alimentation et reliées auxdits éléments dipôles. - Ledit câble coaxial d'alimentation s'étend contre ledit plan de masse jusqu'à un point milieu du tronçon médian dudit plan de masse et est relié à un point milieu correspondant du tronçon médian de ladite ligne d'alimentation, par une sortie coaxiale prévue entre lesdits points milieux dudit plan de masse et de ladite ligne d'alimentation. - L'antenne comporte un réflecteur associé auxdits éléments dipôles et monté en regard de celle des faces de ladite structure qui est opposée à celle formant ladite face avant de l'antenne. Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description d'un mode préféré de réalisation illustré dans les dessins ci-annexés. Dans ces dessins: - Les figures 1 et 2 sont une vue de face et une vue de dos d'une antenne omnidirectionnelle selon la présente invention, La figure 3 montre le diagramme de rayonnement en azimut de l'antenne des figures 1 et 2, 3 0 - La figure 4 illustre le fonctionnement de l'antenne des figures 1 et 2, - La figure 5 représente une adaptation de l'antenne précitée des figures 1 et 2, pour constituer alors une antenne directive conforme à l'invention, - La figure 6 est le diagramme de rayonnement de l'antenne directive de la figure 5. L'antenne omnidirectionnelle illustrée dans les figures 1 et 2 est montrée réalisée en structure imprimée. Elle peut tout aussi bien être réalisée en structure mécanique assemblée. Elle comporte un agencement de six éléments dipôles demi-ondes référencés 1 ou 2, qui sont coplanaires et sensiblement colinéaires et sont inversés l0 les uns par rapport aux autres. Ces éléments dipôles sont imprimés sur une face avant d'un substrat diélectrique 3, de forme allongée et de résistance mécanique convenable, constituant la structure porteuse de l'antenne. Les éléments dipôles sont organisés en deux groupes identiques le long du substrat, en étant désignés par 1 ou 2 selon le groupe auquel chacun d'eux appartient et en étant inversés d'un groupe à l'autre. Cette antenne est planaire et réalise la combinaison de deux systèmes d'antennes élémentaires ayant le même nombre d'éléments dipôles, pour l'obtention d'un diagramme quasi omnidirectionnel de l'antenne résultant de cette combinaison. Bien entendu, l'antenne peut comporter un nombre quelconque d'éléments dipôles pour le gain souhaité. Le substrat 3 porte également des réseaux d'alimentation des éléments dipôles, désignés globalement par la référence 4 et imprimés sur les deux faces du substrat. Ces réseaux d'alimentation définissent un plan de masse 5 sur la face avant et une ligne d'alimentation proprement dite 6 sur la face arrière du substrat. Ils sont prévus en correspondance latéralement le long des deux groupes d'éléments dipôles et présentent des projections horizontales sensiblement quart d'onde 7 et 8 pour l'alimentation des éléments dipôles. Le plan de masse 5 et la ligne d'alimentation 6 comprennent chacun deux tronçons analogues opposés, qui sont réalisés le long et sensiblement sur la mi- longueur du premier bord et du deuxième bord du substrat, respectivement, et un tronçon médian de continuité, qui est réalisé légèrement en biais depuis le premier au deuxième tronçon précédent, en passant entre les deux groupes d'éléments dipôles. Les projections horizontales 7 qui partent du plan de masse sont prévues deux à deux côte à côte et dites doubles et aboutissent ainsi directement aux deux brins des éléments dipôles. Les projections horizontales 8 qui partent de la ligne d'alimentation sont simples et reliées à un seul des brins des éléments dipôles, par des inserts métalliques soudés 9 traversant le substrat. Un câble coaxial 10 assure l'arrivée d'alimentation jusqu'à un point milieu 1 1 de l'antenne. Il s'étend le long du plan de masse 5 jusqu'à ce point milieu, en étant masqué par ce plan de masse. Il est soudé au plan de masse pour sa tenue mécanique et la liaison électrique de son conducteur extérieur au plan de masse. Son conducteur intérieur est relié par soudure à la ligne d'alimentation 6, à travers une sortie coaxiale qui est prévue au point milieu 1 1 et désignée par la même référence de ce point milieu. Cette sortie coaxiale est réalisée par un passage à travers le substrat et une démétallisation locale correspondante mais légèrement plus grande du plan de masse. L'antenne est ainsi alimentée en son centre, directement par le câble coaxial d'alimentation, pour assurer alors l'alimentation symétrique et en phase des différents éléments dipôles. Sur la figure 1, on a fait apparaître que les deux groupes d'éléments dipôles présentent entre eux un faible entraxe d. Cet entraxe d permet d'aligner les centres de phase des éléments dipôles des deux groupes, pour compenser leur léger décalage dû à l'effet du plan de masse sur les éléments dipôles. La valeur de cet entraxe est très faible et de l'ordre de quelques mm. Elle dépend de la fréquence d'utilisation de l'antenne et est en pratique ajustée en fonction de celle- ci. Cet entraxe ainsi ajusté permet de minimiser les ondulations du signal rayonné par l'antenne, en les rendant inférieures à 2 dB par rapport au rayonnement maximal de l'antenne. Cette antenne est montée dans un radôme de protection, non représenté mais tel que couramment utilisé. Ce radôme de forme cylindrique peut être muni d'une pointe parafoudre reliée par un tronçon de câble au plan de masse de l'antenne. La figure 3 montre le diagramme de rayonnement en azimut de l'antenne, donné avec une échelle de 5 dB par division. Elle fait ressortir que son rayonnement en azimut est quasi- omnidirectionnel, ne présentant que de faibles ondulations limitées et inférieures à 2 dB par rapport au rayonnement maximal, sur les deux côtés de l'antenne correspondant aux positions angulaires notées 90 et- 90 . La figure 4 illustre l'obtention de la polarisation verticale du signal rayonné par l'antenne, qui résulte de l'ajout les unes aux autres des composantes verticales Ev de polarisation des signaux de ses différents éléments dipôles. Elle fait également ressortir que les composantes horizontales Ec de polarisation des signaux de deux éléments dipôles inversés sont opposées et tendent ainsi de s'annuler. Ceci permet en pratique l'obtention d'une antenne à polarisation verticale, dont la composante croisée ou horizontale est très faible et se situe à un niveau de l'ordre de 20 dB en dessous de la polarisation verticale. Cette antenne est utilisable à toutes les fréquences o les éléments dipôles 2 o sont réalisables, ainsi par exemple en structure mécanique aux basses et moyennes fréquences et en structure imprimée aux hyperfréquences. Indépendamment des caractéristiques de son rayonnement indiquées en regard des figures 3 et 4, la forme planaire de l'antenne la rend peu encombrante et légère. Ainsi par exemple, les dimensions de l'antenne en circuit imprimé, utilisée à 3, 5 GHz, sont de 330 x 60 x 1,5 mm. Sa conception très simple permet un assemblage rapide et une très bonne reproductibilité de l'antenne, en la rendant de coût moindre. Ainsi l'assemblage de l'antenne réalisée en circuit imprimé se limite à la mise en place du câble coaxial d'alimentation. L'assemblage d'une antenne réalisée en structure mécanique 3 o comprend bien entendu l'opération préalable d'assemblage convenable d'une plaque métallique usinée, qui reproduit le circuit imprimé de la face avant de l'antenne décrite ci-avant, et d'une ligne d'alimentation, qui est munie de ses projections horizontales et est isolée comme ses projections de la plaque métallique. La figure 5 représente une antenne directive, qui est réalisée par l'adjonction d'un réflecteur 20 à l'antenne omnidirectionnelle des figures 1 et 2, les références principales de l'antenne omnidirectionnelle précitée étant reprises dans cette figure 5. Ce réflecteur 20 est placé à l'arrière du substrat 3 en étant à proximité de celui-ci. Il est dans cette figure 5 de section transversale en forme de l0 U, les bords de ses branches latérales affleurant sensiblement le substrat. Le réflecteur peut en variante être placé à l'avant du substrat, dans ces conditions, le rayonnement des éléments dipôles traverse le substrat. Ainsi que montré dans la figure 6, le diagramme de rayonnement en azimut de l'antenne de cette figure 5 est rendu directif, par déformation et orientation précise du diagramme de rayonnement omnidirectionnel tel qu'illustré dans la figure 3 de l'antenne initiale sans ce réflecteur. On note aussi en regard de cette antenne directive que la forme, la taille et la position de son réflecteur permettent de déformer plus ou moins le diagramme de rayonnement omnidirectionnel de l'antenne initiale pour l'obtention du diagramme directif souhaité en azimut. Le signal de cette antenne directive est polarisé verticalement et présente un niveau très faible de polarisation croisée, comme celui de l'antenne omnidirectionnelle initiale sans réflecteur associé. Cette antenne directive présente par ailleurs les mêmes avantages que l'antenne omnidirectionnelle précitée. I REVENDICATIONS 1. Antenne à polarisation verticale, comportant une structure porteuse verticale de forme allongée et des éléments dipôles situés à différents niveaux le long de ladite structure et couplés à un câble coaxial d'alimentation, caractérisée en ce qu'elle comporte un seul desdits éléments dipôles (1,2) par niveau le long de ladite structure (3) et en ce que lesdits éléments dipôles sont coplanaires, sensiblement colinéaires et inversés les uns par rapport aux autres sur une face dite avant de l'antenne. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits éléments dipôles (1,2) sont divisés en deux groupes et inversés d'un groupe à l'autre. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte un plan de masse (5) latéral par rapport à chaque groupe d'éléments dipôles et coplanaire avec ceux-ci et une ligne d'alimentation (6) latérale par rapport à chaque groupe d'éléments dipôles et située dans un plan distinct du plan de masse mais parallèle à celui-ci, ledit plan de masse et ladite ligne d'alimentation présentant chacun un premier tronçon d'un premier côté le long de l'un desdits groupes d'éléments dipôles, un deuxième tronçon de l'autre côté le long de l'autre groupe et un tronçon médian de continuité passant entre les deux groupes, et comporte en outre des projections (7,8) prévues sur lesdits premier et deuxième tronçons dudit plan de masse et de ladite ligne d'alimentation et reliées auxdits éléments dipôles (1,2). 4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit câble coaxial (10) s'étend contre ledit plan de masse (5) jusqu'à un point milieu (11) du tronçon médian dudit plan de masse et est relié à un point milieu correspondant du tronçon médian de ladite ligne d'alimentation (6), par une sortie coaxiale prévue entre lesdits points milieux (11) dudit plan de masse et de ladite ligne d'alimentation. 5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits deux groupes de dipôles présentent un entraxe (d) entre eux, de valeur limitée à quelques mm et ajustée en fonction de la fréquence d'utilisation de ladite antenne. 6. Antenne selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que ladite structure (3) est un support diélectrique et en ce que lesdits éléments dipôles (1,2), ledit plan de masse (5) et lesdites projections (7) de celui-ci sont imprimés sur une des faces dudit support diélectrique, constituant la face avant de l'antenne, et ladite ligne d'alimentation (6) et lesdites projections (8) de celle-ci sont imprimées sur l'autre face dudit support diélectrique. 7. Antenne selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que ladite structure (3) est un support métallique dans lequel sont directement intégrés lesdits éléments dipôles (1,2), ledit plan de masse (5) et lesdites projections (7) de celui-ci et en ce que ladite ligne d'alimentation (6) et lesdites projections (8) de celle-ci sont assemblées sur une face dite arrière dudit support métallique en étant isolées de celui-ci. 8. Antenne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un réflecteur (20), associé auxdits éléments dipôles (1,2) et monté en regard de l'une des faces de ladite structure.