DISPOSITIF D'ANTENNES SPIRALES

SPIRAL-ANTENNAE SYSTEM

English Abstract

The antenna device comprises, on a substrate, a plurality of radiating elements and one pair of input terminals for high frequency electrical signals for each of the said elements. Each of the said radiating elements comprises a spiral portion (SPi), and has an extension (PB1i, PB2i) of the stems of its spiral having geometric characteristics different from those of the said spiral, to form for example a peripheral crown (CP) around the latter.

French Abstract

Le dispositif d'antennes comprend, sur un substrat, une
pluralité d'éléments rayonnants et une paire de bornes
d'alimentation en signaux électriques haute fréquence pour
chacun de ces éléments. Chacun de ces éléments rayonnants
comporte une zone conformée en spirale (SPi), et possède
un prolongement (PBli, PB2i) des brins de sa spirale ayant
des caractéristiques géométriques différentes de celles
de ladite spirale, pour former par exemple une couronne
périphérique (CP) entourant ces dernières.

Claims

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Revendications.
1. Dispositif d'antenne, caractérisé en ce qu'il comprend,
sur un support (SU), au moins deux éléments rayonnants et
une paire de bornes d'alimentation en signaux électriques
haute fréquence pour chacun de ces éléments, et en ce que
chacun de ces deux éléments comporte une zone conformée
en spirale (SPi), l'un au moins d'entre eux possédant un
prolongement (PB1i, PB2i) des brins de sa spirale ayant
des caractéristiques géométriques différentes de celles
de ladite spirale.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce
que chaque élément possède un prolongement des brins de
sa spirale ayant des caractéristiques géométriques
différentes de celles de cette spirale.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2,
caractérisé en ce que le pas d'espacement (p2) des spirales est
sensiblement inférieur ou égal à la moitié de la longueur
d'onde correspondant à la fréquence haute de fonctionnement
du dispositif.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que les diamètres externes respectifs (D2)
desdites spirales sont sensiblement égaux.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce
que le pas d'espacement est sensiblement égal au diamètre
externe des spirales.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que ledit prolongement circule autour
de zones conformées en spirale des éléments rayonnants dans
le même sens que celui desdites spirales, les deux brins

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de ce prolongement formant mutuellement une couronne
périphérique (CP).
7. Dispositif selon les revendications 2 et 6 prises en
combinaison, caractérisé en ce que tous les brins de tous
les prolongements circulent de façon adjacente les uns aux
autres pour former ladite couronne périphérique entourant
complètement les spirales.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'éléments
rayonnants dont les zones conformées en spirale forment
une rangée.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce
que toutes les spirales des éléments rayonnants de ladite
rangée ont la même configuration angulaire.
10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9,
caractérisé en ce que les deux brins du prolongement d'une
spirale quittent ladite spirale en des points diamétralement
opposés de ladite spirale.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10,
caractérisé en ce que la longueur de tous les brins de tous les
éléments rayonnants est sensiblement identique et déterminée
en fonction de la fréquence basse de fonctionnement du
dispositif.
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce qu'au moins un prolongement de brins est
recouvert au moins partiellement d'un matériau à pertes
hyperfréquence.

Description

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1
Dispositif d'antennes spirales erfectionné
L'invention concerne les antennes spirales.
Une antenne spirale comporte, sur un support, deux brins
de longueur identique enroulés de façon adjacente pour for-
mer ensemble une spirale, dont la valeur de la fréquence
inférieure de fonctionnement est liée en première approxima-
tion à celle de son diamètre externe.
Si l'on souhaite limiter le rayonnement à la portion d'espa-
ce située en regard de la spirale, on peut placer l'autre
face du support au contact d'une cavité remplie d'un maté-
riau électromagnétiquement absorbant. Correctement alimentée
en signaux électriques haute fréquence, une antenne de ce
type rayonne dans la portion d'espace souhaitée, dans une
très large bande de fréquences.
I1 a été envisagé de disposer de telles antennes en réseau.
Cependant, une telle configuration souléve, comme on le
verra plus en détail ci-aprés, des problèmes de fonctionne-
ment liés notamment aux propriétés des réseaux, en particu-
lier lorsqu'un fonctionnement dans une très large bande
de fréquences est envisagé.
L'invention vise à apporter une solution à ce problème.
Un but de l'invention est de proposer un dispositif compor-
tant une pluralité d'antennes spirales disposées en réseau,
pouvant fonctionner dans une trés large bande de fréquences
sans altérations de fonctionnement liées à la structure
en réseau.
Selon une caractéristique générale de l'invention, le dispo-
sitif d'antenne proposé comprend, sur un substrat, au moins

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deux éléments rayonnants et une paire de bornes d'alimenta-
tion en signaux électriques haute fréquence pour chacun
de ces éléments; chacun d'entre eux comporte une zone con-
formée en spirale, et, l'un au moins d'entre eux possède
un prolongement des brins de sa spirale ayant des caracté-
ristiques géométriques différentes de celles de ladite spi-
rale.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention appa-
raitront à l'examen de la description détaillée ci-après
et des dessins annexés sur lesquels .
- les figures 1 et 2 illustrent très schématiquement une
antenne spirale classique isolée,
- la figure 3 illustre schématiquement trois antennes spira-
les regroupées selon une configuration présentant des pro-
blèmes de fonctionnement, et
- la figure 4 est une illustration schématique partielle
d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
Les dessins comportent pour l'essentiel des éléments de
caractère certain. A ce titre ils font partie intégrante
de la description et pourront non seulement servir à mieux
faire comprendre la description détaillée ci-après, mais
aussi contribuer, le cas échéant, à la définition de l'in-
vention.
Telle qu'illustrée schématiquement sur les figures 1 et
2, une antenne spirale imprimée comporte, sur une face d'un
support (par exemple un diélectrique) SU, deux brins métal-
liques B1 et B2, de longueur identique, mutuellement enrou-
lés de façon adjacente pour former une spirale SP. En d'au-
tres termes, à l'exception du voisinage des extrémités de

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brin, chaque portion de brin est encadrée par deux portions
de l'autre brin.
I1 convient de remarquer qu'est illustrée ici une spirale
dite "d'Archimède", c'est-à-dire une spirale dans laquelle
chaque brin a une épaisseur constante et un espacement cons-
tant vis-à-vis de l'autre brin. Cependant, d'autres types
de spirales sont envisageables, telles que les spirales
dites "logarithmiques" dans lesquelles il est prévu un taux
d'expansion pour les largeurs des brins ainsi qu'un espace-
ment grandissant entre ceux-ci. Au sens de la présente des-
cription, les termes "spirales" ou "antennes spirales" doi-
vent être interprétés dans un sens très large couvrant tous
les types de spirales.
Une telle antenne est susceptible de fonctionner dans une
très large bande de fréquences, telle que le rapport de
la fréquence supérieure à la fréquence inférieure soit par
exemple de l'ordre de quatre. Sa fréquence inférieure de
fonctionnement F1 est alors donnée en première approximation
par la formule suivante .
pi.D = c/F1 = lambdal
dans laquelle pi désigne le nombre réel sensiblement égal
à 3,14,
D désigne le diamètre externe de la spirale
SP,
c désigne la vitesse de la lumière,
F1 désigne la fréquence inférieure de fonc-
tionnement, et
lambdal désigne la longueur d'onde associée
à la fréquence F1.
Une antenne spirale présente également la particularité

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de rayonner, aussi bien dans la portion d'espace située
en regard de la spirale SP que dans la portion d'espace
en regard de l'autre face, ou face arrière, du support SU.
Aussi, si l'on souhaite limiter ce rayonnement à la portion
d'espace située en regard de la face avant du support, on
peut disposer l'autre face de ce dernier au contact d'une
cavité CA remplie d'un matériau absorbant les ondes électro-
magnétiques haute fréquence dans une large bande.
L'alimentation des deux brins d'une telle antenne s'effectue
par deux fils FI1 et FI2 connectés aux extrémités respecti-
ves des deux brins situées au centre de la spirale. L' ali-
mentation en signaux électriques haute fréquence s'effectue
généralement à l'aide d'un câble coaxial C0, qui est par
nature asymétrique, puisqu'il comporte une âme centrale
et une gaine. Un bon fonctionnement d'une antenne spirale
requiert, en raison de ses caractéristiques géométriques
symétriques, une alimentation en signaux électriques de
type "symétrique", c'est-à-dire identique pour les deux
brins. Aussi, est-il nécessaire de prévoir, à l'arriére
de la cavité CA, un élément électronique symétriseur SY
assurant cette fonction de symétrisation. I1 convient de
remarquer ici que les deux fils FI1 et FI2, traversant la
cavité de matériau absorbant CA, ne perturbent pas le rayon-
nement de l'antenne puisque celui-ci est inhibé dans la
portion d'espace arrière.
Afin notamment de bénéficier des propriétés de fonctionne-
ment très large bande des antennes spirales, il a été envi-
sapé de regrouper celles-ci en réseau. Une solution pourrait
consister à disposer ces spirales côte à côte tel qu'illus-
tré très schématiquement sur la figure 3. Cependant, une
telle solution ne donne pas satisfaction pour les raisons
qui sont maintenant évoquées.

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On sait en effet que le bon fonctionnement d'un réseau à
une fréquence donnée dépend étroitement du pas d'espacement
des antennes élémentaires constituant ce réseau. Ainsi,
pour une longueur d'onde lambda, correspondant à une fré-
5 quence de fonctionnement donnée, il est nécessaire que le
pas p du réseau soit inférieur ou égal à la moitié de la
valeur de cette longueur d'onde. En effet, si le pas p excé-
de la moitié de cette valeur, le diagramme de rayonnement
du réseau peut présenter un lobe parasite, ou "lobe de ré-
seau", décalé par rapport au lobe principal utile de ce
réseau et perturbant le fonctionnement de ce dernier.
Le pas p d'un tel réseau est minimal lorsque les spirales
sont voisines les unes des autres de sorte que leur diamètre
externe respectif D soit sensiblement égal au pas p. A la
fréquence basse de fonctionnement F1, correspondant à ,la
longueur d'onde lambdal, le pas p, égal par ailleurs au
diamètre D, prend alors, par application de la formule évo-
quée plus haut, la valeur (lambdal /pi). I1 ne se pose alors
à cette fréquence aucun problème de fonctionnement puisque
le pas p est inférieur à (lambdal /2).
Cependant, si l'on souhaite faire fonctionner ce réseau
dans une très large bande de fréquences allant jusqu' à une
fréquence haute de fonctionnement F2 égale par exemple à
quatre fois la fréquence basse de fonctionnement F1, on
s'aperçoit que le pas p est alors égal au produit de la
longueur d'onde lambda2, correspondant à la fréquence F2,
par un facteur égal à 4/pi. Le fonctionnement du réseau
est donc altéré à la fréquence F2 par la présence d'un lobe
de réseau puisque le pas p est supérieur à lambda2 et donc
a fortiori à (lambda2 /2).
L'invention vient apporter une solution à ce problème.

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La Demanderesse a en effet observé que dans un dispositif
d'antennes comportant une pluralité d'éléments rayonnants
(au moins deux) ayant chacun une zone conformée en spirale,
il convenait que l'un au moins d'entre eux possédât un
prolongement des brins de sa spirale ayant des caracté-
ristiques géométriques différentes de celles de ladite spi-
rale.
A partir de cette observation très générale, la Demanderesse
a mis en oeuvre l'invention dans un mode particulier de
réalisation illustré sur la figure 4.
Sur cette figure, à des fins de simplification, n'ont été
représentées que les configurations géométriques des brins
des différentes spirales, une paire de bornes d'alimentation
en signaux électriques haute fréquence étant naturellement
prévue pour chacun des éléments rayonnants de ce réseau.
Ce réseau devant fonctionner à partir d'une fréquence basse
F1, la longueur des deux brins de chaque élément rayonnant
. du réseau, longueur identique pour tous les éléments
rayonnants, est déterminée pour qu'une antenne spirale
élémentaire formée par ces deux brins ait un diamètre
externe D permettant le fonctionnement à cette fréquence
basse F1.
Le réseau devant fonctionner dans une très large bande de
fréquences jusqu'à une fréquence haute F2, par exemple égale
à quatre fois la fréquence basse, on choisit un pas de ré-
seau p2 généralement inférieur, et de préférence égal, à
la moitié de la valeur de la longueur d'onde lambda2. Les
deux brins de chaque élément rayonnant du réseau sont alors
enroulés de façon adjacente pour former une zone conformée
en spirale ayant un diamètre externe D2 sensiblement égal
au pas p2. Toutes ces zones conformées en spirales SP1-SP7

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sont alors alignées côte à côte sur le substrat de façon
à former une rangée.
Le surplus de longueur des brins Bli et B2i d'un élément
rayonnant est alors disposé sur la surface libre du substrat
et forme un prolongement PBli et PB2i ayant des caractéris-
tiques géométriques différentes de celles de la spirale
correspondante SPi.
Ainsi, dans cet exemple, les deux brins PBli et PB2i du
prolongement de la spirale SPi quittent cette dernière en
des points diamétralement opposés et circulent autour de
toutes les zones SPl-SP7 des éléments rayonnants dans le
même sens que celui des spirales. En d'autres termes, tous
les brins de tous les prolongements circulent de façon adja-
cente les uns aux autres pour former une couronne périphéri-
que entourant complètement les spirales SP1-SP7.
Un tel réseau fonctionne alors correctement à la fréquence
haute F2, puisque le pas a été déterminé en conséquence.
I1 fonctionne également correctement à toutes les autres
fréquences jusqu'à la fréquence basse F1 puisque le pas
p2, calculé pour la fréquence haute F2, est forcément infé-
rieur à la moitié de la valeur de la longueur d'onde lambdal
correspondant à cette fréquence basse de fonctionnement.
I1 convient également de remarquer que la contribution du
rayonnement de ce dispositif d'antenne est principalement
fournie par les spirales SPi en ce qui concerne la fréquence
haute de fonctionnement alors que la couronne périphérique
CP contribue principalement pour la fréquence basse de fonc-
tionnement.
Cependant, il peut être avantageux que les lignes de cette
couronne périphérique CP soient partiellement ou totalement

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recouvertes d'un matériau à pertes hyperfréquence, tels
que les matériaux chargés en ferrite (Ferrite). Dans ce
cas, les lignes de cette couronne ne participent pas direc-
tement au rayonnement en bas de bande puisqu'elles amortis-
sent l'onde électromagnétique tout au long de son parcours
sur ces lignes. En contrepartie, ces lignes permettent alors
d'améliorer notablement les performances en bas de bande
en évitant très largement la propagation de retour de l'onde
électromagnétique dans la spirale, propagation engendrée
par la réflexion de l'onde électromagnétique en bout de
brin.
On peut bien entendu contrôler ce rayonnement en bas de
bande par une localisation appropriée du matériau à perte,
remarque étant faite que de toute façon ce rayonnement basse
fréquence se produit également pour une faible part au ni-
veau des spirales SPi, et ce, sans pratiquement aucune per-
turbation.
L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation ci-
dessus décrit mais en embrasse toutes les variantes conte-
nues dans le cadre des revendications ci-après.
Ainsi, le prolongement des brins des spirales peut se situer
dans le plan de ces dernières ou bien hors de ce plan. De
même, dans l'un et/ou l'autre des cas, ce prolongement peut
circuler, ou ne pas circuler autour desdites spirales.
On a décrit ci-avant des spirales ayant toutes dans leur
plan la même configuration angulaire. L'homme de l'art sait
qu'il est possible de faire varier la phase d'une antenne
spirale en agissant sur cette configuration angulaire. Une
telle considération peut s'appliquer à la présente inven-
tion.

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Bien entendu, certains des moyens décrits ci-dessus peuvent
être omis dans les variantes où ils ne servent
pas.

Representative Drawing