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Antenne à brins à polarisation circulaire
L'invention concerne les antennes à polarisation circulaire, et plus
précisément les antennes présentant un diagramme de rayonnement de
révolution autour d'un axe et présentant un maximum de rayonnement dans
le plan perpendiculaire à la direction de cet axe.
L'invention concerne plus spécifiquement les antennes en
technologie plaquée (patch).
Le concept d'antenne imprimée (ou antenne "patch" ou antenne
"microstrip") est apparu dès 1953 avec DESCHAMPS [1], et les premières
réalisations ont été effectuées dans les années 70 par HOWELL et
NIJNSON [2].
Les antennes plaquées ou imprimées regroupent l'ensemble des
aériens réalisés suivant une technologie consistant à placer un fin
conducteur métallique au-dessus d'un plan de masse. Ce fil conducteur
métallique constitue l'élëment rayonnant de l'antenne et est de dimensions
réduites et peut être de forme arbitraire. Dans la pratique, il est souvent de
géométrie simple telle un carré, un rectangle, un disque ou un anneau.
Ce type d'antenne possède les avantages des lignes microrubans
faible masse .et encombrement réduit, structures planaires pouvant être
conformées, possibilité de fabrication en grande série autorisant ainsi une
production de faible coüt.
Cette technologie a donc vu de larges applications dans les
domaines tels que l'aéronautique, le spatial, les télécommunications grand
public (antennes de téléphones portables), ...
La technologie d'antennes plaquées ou "patch" est très largement
diffusée au travers d'ouvrages de référence internationale: [5], [6], [7]
Le but de l'invention est d'améliorer les antennes existantes et de
proposer une antenne qui soit simple de réalisation, et de dimension
réduite, tout en fournissant une polarisation circulaire naturelle qui soit
particulièrement nette.
Ce but est atteint selon l'invention grâce à une antenne réalisée en
technologie plaquée incluant une série de brins situés sensiblement dans
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un même plan principal, chacun des brins étant alimenté par un même fil
conducteur, caractérisée en ce que chacun de ces brins décrit un segment
initial qui est radial par rapport à un axe géométrique perpendiculaire au
plan principal, puis chacun des brins se prolonge selon un arc de cercle
centré sur cet axe géométrique, puis décrit à nouveau un segment
sensiblement radial, dirigé en direction de l'axe géométrique, longeant ainsi
un segment radial du brin voisin sans le toucher.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention
apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en
référence à la figure unique ci-jointe, représentant en perspective, sous
forme d'une structure éclatée et développée en volume pour plus de clarté,
une antenne selon une variante ,préférée de l'invention.
Sur cette figure, l'antenne est constituée de trois éléments
principaux, à savoir un fil d'alimentation rigide et rectiligne 100, un
ensemble 200 de quatre brins rayonnants, et un plan de masse 300. Les
quatre brins, référencés 210, 220, 230 et 240, sont situés dans un plan
perpendiculaire à l'axe du fil 100, et le plan de masse 300 est placé
.parallèlement au plan principal des brins. La forme générale délimitée par
les brins ainsi que le plan de masse 300 sont tous deux centrés
géométriquement sur le fil d'alimentation 100.
Le fil 100 définit donc ici un axe principal de symétrie X de l'antenne.
Chaque brin 210, 220, 230, 240 est électriquement relié au fil 100. A
partir du fil d'alimentation 100 de chaque brin présente une forme semblable
à celle du brin 210, que l'on dëcrira maintenant. Le brin 210 décrit d'abord
un segment initial 210 qui est ici strictement radial et qui se termine à
distance de l'axe X par un coude 213, coude 213 qui initie alors la partie en
arc de cercle 214 du brin considéré 100.
Cette partie ou segment en arc de cercle 214 décrit ici un angle de
90° autour de l'axe, pour se terminer à nouveau par un coude 215 à
angle
droit. Ce second coude 215 .initie alors un segment terminal 216 du brin
considéré dirigé vers l'axe de symétrie X, s'arrêtant à proximité de l'axe 100
sans le toucher.
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Chacun des brins présente la même configuration, la partie en arc de
cercle tournant autour de l'axe 100 dans un même sens (trigonométrique ou
inverse trigonométrique) pour chaque brin. Chaque brin tourne ici dans le
sens inverse trigonométrique par rapport à l'axe X.
L'ensemble des brins définit par son contour une forme circulaire
séparée en quatre arcs de 90°. Chacun des brins décrit, par ses deux
segments rectilignes et son segment en arc de cercle, le contour d'un
quartier constituant le quart d'un disque.
Ces quartiers sont directement côte à côte les uns des autres et, les
brins ayant tous le même sens inverse trigonométrique, chaque segment
radial qui est relié au fil central est bordé par un segment radial, qui, lui,
n'est pas relié au fil d'alimentation 100.
Ainsi, non seulement l'ensemble des quatre brins 210 à 240 définit
une configuration générale circulaire autour de cet axe géométrique X, mais
chacun de ces brins décrit en outre deux segments sensiblement radiaux,
situés à 90° l'un de l'autre, et longeant chacun un segment voisin
appartenant à un brin voisin. Ainsi, 1°ensemble des brins 210, 220, 230
et
240 forme quatre couples de segments parâllèles et radiaux, chaque
segment considéré d'un couple appartenant à un brin différent. Ces couples
des segments parallèles sont présents tous les 90 degrés autour de l'axe de
symétrie de l'antenne.
Le fil d'alimentation 100 est ici un fil rectiligne s'arrêtant au centre
des brins, et ne se prolongeant pas au-delà du plan de ces derniers.
Ce fil d'alimentation 100 est constitué par le conducteur central d'un
câble coaxial. L'armature extérieure 150 de ce câble coaxial s'arrête, quant
à elle, bien avant le conducteur interne du câble coaxial.
L'armature externe coaxiale 150 est en liaison électrique avec le plan
de masse 300, qui forme un disque conducteur de même diamètre que le
cercle des brins et parallèle à ce dernier. Ce disque plein 300 se trouve à
une .distance des brins qui est de l'ordre du diamètre du cercle que
décrivent ces .brins.
L'armature externe du câble coaxial le relie à un potentiel différent de
celui alimentant les brins.
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Ainsi les deux conducteurs 100 et 150 du câble coaxial sont reliés
aux bornes d'une source électrique, ici non représentée, qui se trouve au-
delà du plan de masse 300, à l'opposé des brins. Le plan de masse 300 se
trouve donc entre cette source et le plan des brins.
La source d'alimentation non représentée peut être réalisée par
exemple à l'aide d'un circuit en technologie planaire imprimé, une
alimentation selon cette technologie pouvant en variante être placée en tout
endroit de l'antenne, par exemple dans le plan des brins ou sur le plan de
masse 300.
L'axe mécanique constitué par le fil d'alimentation 100 est également
l'axe de symétrie du diagramme de rayonnement. Un maximum de
rayonnement est émis sur l'horizon, c'est à dire axialement autour du fil 100
et dans la direction du plan des brins, tandis qu'un minimum de
rayonnement est présent dans la direction définie par l'axe de symétrie.
Sur une bande de fréquence relative assez large (>10%), l'antenne
génére une polarisation circulaire naturelle. En effet, sur cette bande de
fréquence, la partie centrale de l'antenne, et en particulier le fil vertical
d'alimentation 100 -de l'antenne, génère une composante du champ
électromagnétique polarisée verticalement ayant un maximum à l'horizon.
La partie périphérique en forme de cercle de l'antenne génère quant
à elle une composante du champ électromagnétique polarisée
horizontalement ayant également un maximum à l'horizon.
Le gain obtenu avec cette antenne est typiquement de 2 dB pour des
angles d'élévation compris entre 0° et 60°.
La géométrie de l'antenne permet en outre d'obtenir un déphasage
de 90° entre ces deux composantes rayonnées et une même amplitude
pour chacune d'élles.
Une polarisation circulaire est donc obtenue avec un maximum dirigé
à l'horizon. Le sens d'enroulement des brins fixe la polarisation principale.
Ainsi, le sens d'enroulement inverse trigonométrique tel que présenté ici
implique une polarisation circulaire droite.
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Chaque brin a une longueur de l'ordre d'une demi-longueur d'onde à
la fréquence de travail, c'est à dire de l'ordre d'une demi-longueur d'onde à
la fréquence privilégiée pour cette antenne.
Afin d'élargir la bande des fréquences de fonctionnement, des brins
5 supplémentaires peuvent être superposés aux quatre brins initiaux. Ces
brins supplémentaires peuvent être reliés électriquement ou non aux brins
initiaux et peuvent étre de même dimension ou non que les brins initiaux.
Un fonctionnement en mode multifréquence est aussi possible, soit
au moyen de l'empilement de plusieurs ensembles de brins tel que celui
décrit ici, préférentiellement selon des plans parallèles et superposés et de
diamètres différents, soit au moyen d'un multiplexeur relié à un ensemble
de brins coplanaires.
L'épaisseur totale de l'antenne proposée est faible devant la
longueur d'onde (typiquement de l'ordre de 0.04,), ce qui la rend compacte.
L'antenne présentée ici est trés compacte car ses brins sont repliés.
Le diamètre extérieur du cercle composé des quatre brins
rayonnants est de l'ordre de 0.25,, où ~, est la longueur d'onde de
travail privilégiée pour cette antenne.
Un diamètre aussi faible permet un encombrement réduit de
l'antenne au regard de la longueur d'onde.
Les différents éléments de cette antenne peuvent être réalisés en
métal.
La masse de cette antenne, déjà faible, peut, par le choix d'un
matériau adapté, étre encore plus faible.
L'alimentation de l'antenne se fait par un fil unique et aucun circuit de
déphasage additionnel n'est nécessaire à son fonctionnement ce qui en fait
une structure simple à réaliser tant au niveau électrique, qu'au niveau
mécanique.
Cette antenne et notamment l'ensemble des 'brins, est facilement
réalisable en technologie plaquée, c'est à dire par exemple en réalisant
l'ensemble des brins sous la forme d'un circuit imprimé sur un film substrat.
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Plus généralement, l'antenne selon l'invention et facilement réalisée
en production de série.
[1] G.A. DESCHAMPS
« Microstrip microwave antennes »
.3 rd USAF -Symposium on Antennes -1953
[2] J.Q. HOWELL
« Microstrip antennes »
I.E.E.E. Transactions on Antennes and Propagation -Vol. AP-22 -pp. 90-93
-January 1975. '
[3] Howell, J.Q.,
"Microstrip Antennes,"
IEEE AP-S Int. Symp. Digest, 1972, pp. 177-180.
[4] Munson, R.E.,
"Conformai Microstrip Antennes and Microstrip Phased Arrays,"
IEEE Trans. on Antennes and Propagation,-Vol. AP-22, 1974, pp. 74-78.
[5] JR James & PS 'Hall
"Handbook of MICROSTRIP ANTENNAS" 1989
[6] IJ Bahl & P. Bhartia
"Microstrip Antennes" 1980
[7] J.R JAMES -P .S. HALL -C. WOOD
« Microstrip antenne theory and design ».
