Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
1:291~iÇi0
L'invention concerne une antenne de type hélice et
son procédé de fabrication.
Les antennes de type hélice présentent l'avantage
de rayonner une onde électromagnétique en pol æisation
circulaire de bonne qualité sur une large couverture et avec un
lobe d'émission éventuellement formé.
Ces caractéristiques rendent celles-ci
intéressantes dans de nombreux domaines d'utilisation, et en
particulier, dans le cas de liaisons sol/satellite à défilement
ou biles/relais géostationnaires.
~ependant, ce type d'antenne comporte généralement
quatre brins rayonnants qu'il est nécessaire d'alimenter
suivant les lois d'amplitude et de phase adéquates. P æ
exemple, pour certaines antennes de ce type, les quatre brins
rayonnants sont enroulés sur un manchon circulaire avec un
certain pas, selon une ligne directrice du manchon,
correspondant à un décalage angulaire de ~2 . rd et chaque brin
est alimenté à partir d'un signal présentant un déphasage
angulaire successif relatif égal à ~ .
Afin de réaliser l'alimentation de telles antennes,
on a jusqu'à ce jour proposé différentes solutions.
Selon une première solution, l'excitation se fait
d'abord à travers un coupleur hybride qui sépare l'énergie en
deux voies équi-amplitude et déphasées l'une par rapport à
l'autre de 90. Un double symétriseur, logé dans l'axe de
l'antenne, permet de passer, pour chacune des deux voies, de la
ligne coaxiale aux brins diamétralement opposés. Ces derniers
se trouvent donc alimentés p æ des amplitudes égales et en
opposition de phase. L'utilisation d'un symétriseur compensé
permet d'ajuster la plage de fréquence de fonctionnement de
l'antenne.
Selon une deuxième solution, comme dans le cas
précédent, un coupleur hybride permet de séparer l'énergie en
deux voies équi-amplitude et en quadrature de phase.
L'énergie est ensuite acheminée au point
d'alimentation par deux des brins rayonnants qui sont, en fait,
constituées de câbles coaxiaux puis elle se rép ætit à
1~91560
amplitudes égales et en opposition de phase entre les brins
diamétralement opposés, les uns connectés aux âmes des
coaxiaux, les autres constitués par la partie externe de
blindage des coaxiaux eux-mêmes.
Cette solution présente par rapport à la précédente
l'avantage de supprimer le symétriseur central, par contre sa
caractéristique en fréquence est plus étroite du fait de
l'absence de tout réglage.
Selon une troisieme solution, la ligne coaxiale
d'alimentation est fendue à son extrémité pour constituer un
symétriseur. La répartition de l'énergie en quadrature entre
les deux bi-hélices est réalisée en ajustant la longueur, donc
la réactance, des brins rayonnants.
Cette solution permet, de manière avantageuse, de
supprimer le coupleur hybride mais elle nécessite un réglage
délicat de la longueur des brins. De plus, ceux-ci étant de
longueurs différentes, la géométrie de l'antenne ne présente
plus de symétrie de révolution et la réalisation de l'antenne
est plus complexe.
Selon une quatrième solution, solution la plus
simple d'un point de vue théorique, les quatre brins rayonnants
sont alimentés à partir d'un répartiteur.
Ces circuits répartiteurs sont constitués par des
éléments discrets qu'il est nécessaire de relier à l'antenne
par quatre connexions et il est parfois difficile d'adapter
cette solution à la géométrie de l'antenne.
Dans tous les cas précités, l'autre extrémité des
brins, par rapport à l'extrémité constituant point
d'alimentation, est soit en circuit ouvert avec alors une
longueur de brins égale à un nombre entier impair de quarts de
longueur d'onde, soit un court-circuit avec alors une longueur
de brins égale à un nombre entier de demi-longueurs d'onde. En
pratique, un véritable circuit ouvert est impossible à
réaliser, contrairement à un bon court-circuit. C'est pourquoi
les quatre brins sont généralement court-circuités ensemble à
l'extrémité opposée au point d'alimentation, ce court-circuit
étant réalisé en forme de croix.
Y
l~lS6~
La présente invention a pour objet de remédier aux
inconvénients précités par la mise en oeuvre d'une structure
d'antenne en hélice particulièrement simple.
Un autre objet de la présente invention est la mise
en oeuvre d'une antenne de type hélice de poids et
d'encombrement particulièrement réduits.
Un autre objet de la présente invention est la mise
en oeuvre d'une antenne de type hélice d'une très grande
reproductibilité de caractéristiques de diagramme de
rayonnement.
Un autre objet de la présente invention est enfin
la mise en oe uvre d'un procédé de fabrication d'une antenne de
type hélice, particulièrement simple et très facilement
adaptable à l'échelle industrielle avec des qualités de
reproductibilité et d'automatisation très élevées.
L'antenne de type hélice, objet de l'invention,
comporte au moins un brin rayonnant enroulé en hélice selon une
forme de révolution. Elle est remarquable en ce qu'elle
comporte un circuit d'alimentation, du ou desdits brins
rayonnants, constitué par une ligne de transmission du type
ligne a ruban assurant à la fois la fonction de répartition
d'alimentation et d'adaptation des brins rayonnants de
l'antenne.
Le procédé de fabrication d'une antenne de type
hélice conformément à l'objet de l'invention est remarquable en
ce qu'il consiste à découper une feuille de circuit imprimé
souple double face aux dimensions correspondantes d'un manchon
de révolution, sur ledit circuit imprimé, à délimiter une
première zone destinée à contenir ladite ligne à ruban et une
deuxième zone destinée à contenir lesdits brins rayonnants, sur
une première face du circuit imprimé, à supprimer la
métallisation au niveau de ladite deuxième zone, ladite
métallisation étant maintenue sur la totalité de la première
zone pour constituer ledit plan de propagation de référence,
sur la deuxième face dudit circuit imprimé, à former par
enlèvement de matière, au niveau de la deuxième zone, d'une
part, de ladite métallisation selon des zones déterminées
~ t~. '
l~9~S60
lesdits brins rayonnants et ladite zone conductrice annulaire,
et au niveau de la première zone d'autre part, une zone
conductrice formant avec ledit plan de propagation de référence
ladite ligne à ruban, à enrouler la feuille de circuit imprimé,
coté plan de propagation de référence ou coté brins sur le
manchon, les brins rayonnants étant convenablement orientés.
L'invention trouve application a la fabrication et
à la réalisation d'antennes de type hélice utilisées dans les
liaisons de télécommunication sol/satellite a défilement ou
mobiles/relais géostationnaires, et à la radiolocalisation.
Elle sera mieux comprise à la lecture de la
description et à l'observation des dessins ci-après dans
lesquels,
- - la figure la est une vue en perspective d'une
antenne de type hélice de l'art antérieur,
- les figures lb à le représentent respectivement
des schémas de l'art antérieur d'un premier, d'un deuxième,
d'un troisième et d'un quatrième circuit dlalimentation de
l'antenne de la figure la,
- la figure lf est une vue en perspective d'une
antenne de type hélice de l'art antérieur montrant son
extrémité court-circuitée,
la figure 2a représente, en développé, une antenne
de type hélice conforme à l'objet de la présente invention,
- la figure 2b représente une vue de face d'une
antenne conformément à l'objet de l'invention,
- la figure 2c représente une coupe selon le plan
de coupe AA de la figure 2a,
- la figure 2d représente un détail de réalisation
de la figure 2a,
- la figure 3 représente en a), b), c), d), les
différentes étapes d'un procédé de fabrication d'une antenne
conformément à l'objet de l'invention,
- la figure 4 représente un mode opératoire
avantageux de mise en oeuvre du procédé de la figure 3,
r ~ ~
1~9~SfiO
- la figure 5a représente un circuit imprimé
développé à plat permettant la mise en oeuvre d'une antenne de
type hélice de forme conique,
- la figure 5b représente une antenne de type
hélice de forme conique obtenue à l'aide du circuit imprimé de
la figure 5a.
Les antennes de type hélice présentent l'avantage
de rayonner une onde électromagnétique en polarisation
circulaire de bonne qualité sur une large couverture et avec un
lobe d'émission éventuellement formé.
Ces caractéristiques rendent celles-ci
intéressantes dans de nombreux domaines d'utllisation, et en
particulier, dans le cas de liaisons sol/satellite à défilement
ou mobiles/relais géostationnaires.
Cependant, ce type d'antenne co~porte généralement
quatre brins rayonnants qu'il est nécessaire d'alimenter
suivant des lois d'amplitude et de phase adéquates. Ainsi
qu'on l'a représenté en figure la, les quatre brins rayonnants
sont enroulés sur un manchon circulaire avec un pas p, selon
une ligne directrice du manchon, correspondant à un décalage
angulaire de ~2 rd et chaque brin est alimenté à partir d'un
signal présentant un déphasage angulaire successif relatif égal
à ~ . Pour un brin rayonnant 1 alimenté avec un signal de
phase relative nulle, notée 0 sur la figure la, les brins
rayonnants notés successivement 2, 3, 4 sont alimentés avec des
signaux de même amplitude A mais de phase successive relative à
-go, - 180, - 270.
Afin de réaliser l'alimentation de telles antennes,
on a jusqu'à ce jour proposé différentes solutions.
Selon une première solution, telle que représentée
en figure lb, l'excitation se fait d'abord à travers un
coupleur hybride qui sépare l'énergie en deux voies
équi-amplitude et déphasées l'une par rapport à l'autre de 90.
Un double symétriseur, logé dans l'axe de l'antenne, permet de
passer, pour chacune des deux voies, de la ligne coaxiale aux
brins diamétralement opposés. Ces derniers se trouvent donc
5~;0
5a
alimentés par des amplitudes egales et en opposition de phase.
L'utilisation d'un symetriseur compense permet d'ajuster la
plage de frequence de fonctionnement de l'antenne.
Selon une deuxieme solution, telle que representee
en figure lc, comme dans le cas de la figure lb, un coupleur
hybride permet de séparer l'énergie en deux voies
equi-amplitude et en quadrature de phase.
L'énergie est ensuite acheminée au point
d'alimentation par deux des brins rayonnants qui sont, en fait,
constitués de câbles coaxiaux puis elle se répartit à
amplitudes égales et en opposition de phase entre les brins
diametralement opposés, les uns connectés aux âmes des
coaxiaux, les autres constitués par la partie externe du
blindage des coaxiaux eux-mêmes.
Cette solution présente par rapport a la
précédente, selon la figure lb, l'avantage de supprimer le
symétriseur central, par contre sa caractéristique en fréquence
est plus étroite du fait de l'absence de tout réglage.
Selon une troisieme solution, ainsi que représentée
en figure ld, la ligne coaxiale d'alimentation est fendue a son
extrémité pour constituer un symétriseur. La répartition de
l'énergie en quadrature entre les deux bi-hélices est réalisée
en ajustant la longueur, donc la réactance, des brins
rayonnants.
Cette solution permet, de maniere avantageuse, de
supprimer le coupleur hybride mais elle nécessite un réglage
délicat de la longueur des brins. De plus, ceux-ci étant de
longueurs différentes, la geométrie de l'antenne ne présente
plus de symétrie de révolution et la réalisation de l'antenne
est plus complexe.
Selon une quatrieme solution, telle que représentée
en figure le, solution la plus simple d'un point de vue
théorique, les quatre brins rayonnants sont alimentes a partir
d'un répartiteur.
~^s;`.,
~9~560
5b
Ces circuits répartiteurs sont constitues par des
éléments discrets qu'il est nécessaire de relier à l'antenne
par quatre connexions et il est parfois difficile d'adapter
cette solutlon à la géométrie de l'antenne.
Dans tous les cas précités, l'autre extrémité des
brins, par rapport à l'extrémité constituant point
d'alimentation, est soit en circuit ouvert avec alors une
longueur de brins égale à un nombre entier impair de quarts de
longueur d'onde, soit un court-circuit avec alors une longueur
de brins égale à un nombre entier de demi-longueurs d'onde. En
pratique, un véritable circuit ouvert est impossible à
réaliser, contrairement à un bon court-circuit. C'est pourquoi
les quatre brins sont généralement court-circuités ensemble à
l'extrémité opposée au point d'alimentation, ce court-circuit
étant réalisé en forme de croix ainsi que représenté en figure
lf.
L'antenne objet de l'invention est une antenne de
type hélice comportant au moins un brin rayonnant enroulé en
hélice selon une forme de révolution.
Elle sera tout d'abord décrite en liaison avec les
figures 2a, 2b et 2c, la forme de révolution étant cylindrique.
Conformément aux figures précitées, l'antenne de
type hélice selon l'invention comprend au moins un brin
rayonnant noté 11, 12, 13 ou 14 enroulé en hélice selon une
forme circulaire autour d'un manchon 1 par exemple. Sur la
figure 2a, laquelle représente en développé l'antenne selon un
mode de réalisation particulier de l'invention, on a représenté
en pointillé le manchon 1 sur lequel l'antenne est normalement
enroulée pour constituer l'antenne effectivement obtenue telle
que représentée en figure 2b.
Conformément à une caractéristique particulièrement
avantageuse de l'antenne de type hélice objet de l'invention,
celle-ci comporte un circuit d'alimentation noté 2 du ou des
brins rayonnants. Ce circuit est constitué par une ligne de
transmission du type ligne à ruban notée 20. La ligne à ruban
20 assure à la fois la fonction de répartition d'alimentation
et d'adaptation d'impédance des brins rayonnants de l'antenne.
; ,,~t~
,
~91560
Dans le mode de réalisation particulier représenté
en figures 2a, 2b et 2c, l'antenne de type hélice objet de
l'invention comporte quatre brins rayonnants notés 11, 12, 13
et 14. Chaque brin rayonnant est constitué par une zone
métallisée en forme de bande enroul.ée en hélice sur la surface
latérale du manchon 1. Chaque bande constituant les brins
rayonnants 11, 12, 13 et 14 est distante de la suivante selon
une ligne directrice du manchon 1 d'une distance P déterminée.
Ainsi, comme représenté en figure 2b, les brins rayonnants sont
inclinés d'un angle a par rapport a toute ligne directrice du
manchon 1 et se trouvent ainsi enroulés en hélice.
~ p~J
1~915~C~
Selon une caractéristique avantageuse du circuit d'alimentation
2, la ligne de transmission 20 constituant ce dernier peut avantageusement
etre constituée par une ligne à méandre notée 200 sur les figures 2a et 2b.
Chaque brin rayonnant 11, 12 13 et 14 est au niveau de son point
d'alimentation noté 110, 120, 130, 140 ou extrémité d'entrée, connecté en
contact électrique avec la bande constituant la ligne à méandre 200. Selon
une caractéristique avantageuse du circuit d'alimentation de l'antenne objet
de l'invention, la distance électrique sur la ligne à méandre entre deux
points d'entrée de deux brins rayonnants consécutifs, points d'entrée tels
que 110, 120, 130 et 140 est égale à un multiple impair de quart de
longueur d'onde du signal d'émission-réception se propageant dans la ligne
à ruban considérée.
Dans ces conditions, et en particulier dans le cas où le multiple
impair de quarts de longueur d'onde est égal à 1, chaque point d'alimen-
tation ou point d'entrée 110, 120, 130 et 140 des brins rayonnants 11, 12,
13 et 14 se trouve alimenté par des signaux d'amplitude égale, respecti-
vement déphasés de rr /2 rd, c'est-à-dire dans les condiditions d'alimen-
tation telles que représentées en figure la.
La fonction adaptation des brins rayonnants peut avantageu-
sement être réalisée par l'utilisation de tronçons de ligne 201, 202, 203,
204, de largeur variable, constituant ainsi la ligne 20, ainsi que représenté
en figure 2d, et par les tronsons 110 à 112, 120 à 122, 130 à 132 et 140 à
142 des brins rayonnants.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'antenne de type
hélice objet de l'invention, I'extrémité des brins opposés aux extrémités
d'entrée 110, 120, 130, 140, extrémité notée 111, 121,131, 141 sur les
figures 2a et 2b est avantageusement connectée en court-circuit à une
même zone conductrice annulaire 100. Ainsi qu'on le comprendra aisément,
en fonction des conditions de phase du signal d'alimentation au point
d'entrée 110, 120, 130, 140 de chaque brin rayonnant 11, 12, 13, 14, I'une
des extrémités d'un des brins rayonnants 111, 121, 131, 141 se trouve
nécessairement en court-circuit, c'est-à-dire avec une amplitude de champ
1~915~;0
électrique nul et toutes les extrémités opposées 111, 121, 131, 141 de par
la connexion à la zone conductrice, se trouvent ainsi en court-circuit. La
zone conductrice annulaire 100 impose ainsi un court-circuit sur l'extrémité
des quatre brins rayonnants 11, 12, 13 et 14.
Ainsi qu'on l'a en outre représenté sur la figure 2c, selon une
coupe suivant le plan de coupe AA de la figure 2a, la ligne à ruban 200
constituant le circuit d'alimentation 2 comprend une feuille de matériau
diélectrique 2000, dont une première face destinée à être appliquée sur la
surface latérale du manchon 1 est entièrement métallisée, pour constituer
un plan de propagation de référence noté 2001. Une deuxième face de la
feuille de matériau diélectrique 2000 opposée à la première face comporte
une bande métallique 2002, formant avec la première face métallisée 2001,
la ligne à ruban 20.
Ainsi qu'on l'a en outre représenté en figure 2c, et de manière
particulièrement avantageuse, le circuit d'alimentation 2 constitué par une
ligne à ruban 20, des brins rayonnants 11, 12, 13 et 14 et la zone
conductrice annulaire 100 en court-circuit sont formés sur une même feuille
de matériau diélectrique.
Sur la figure 2b, on a représenté une vue de face de l'antenne
obtenue après montage, c'est-à-dire après enroulement de la feuille de
matériau diélectrique 2000, munie de ses différentes zones conductrices
autour du manchon 1.
Un procédé de réalisation d'une antenne de type hélice
conformément à l'objet de l'invention sera décrit en liaison avec les figures
3 et 4, et en particulier avec la figure 3 aux points a, b, c, d, de celle-ci.
Afin de réaliser à l'échelle industrielle une antenne de type
hélice conforme à l'objet de l'invention, le procédé de réalisation peut
consister, ainsi que représenté au point a) de la figure 3, à découper une
feuille 10 de circuit imprimé souple, double face, les double faces étant
notées 101, 102 et pourvues d'une métallisation, aux dimensions correspon-
dantes pour un manchon cylindrique 1 de dimension donnée. ~ien entendu,
la feuille de circuit imprimé pourra être constituée par une feuille de
~9~56~
.
grande qualité, dont la feuille de matériau diélectrique 2000 est constituée
par exemple par une feuille de matériau plastique tel que le kapton ou le
polytétrafluoréthylène armé de verre.
Ainsi que représenté en outre au point a) de la figure 3, le
procédé peut alors consister à délimiter sur la feuille de circuit imprimé 10
une première zone notée I destinée à contenir ladite ligne à ruban et une
deuxième zone notée II destinée à contenir les brins rayonnants.
Ainsi que représenté sur la figure 3 au point b) de celle-ci, le
mode de réalisation consiste alors à supprimer sur une première face du
circuit imprimé 10, en particulier au niveau de la deuxième zone notée Il,
la métallisation 101 par exemple, cette même métallisation 101 étant
maintenue sur la totalité de la première zone de la même face pour
constituer le plan de propagation de référence noté 2001.
Ainsi qu'on l'a représenté en outre au point c) de la figure 3, le
mode de réalisation consiste alors à former par enlèvement de matière sur
la deuxième face du circuit imprimé 10 au niveau de la deuxième zone
d'une part, de la métallisation 102, selon des zones déterminées, les brins
rayonnants 11, 12, 13 et 1~ et la zone conductrice annulaire 100. De la
meme façon, au niveau de la première zone d'autre part, est alors formée
une zone conductrice constituant avec le plan de propagation de référence
2001, la ligne à ruban 20. La zone conductrice précitée peut alors être
constituée par une zone conductrice notée 200 constituant la ligne à
méandre.
Ainsi que représenté au point d) de la figure 3, la feuille ainsi
obtenue en figure 3c, munie de ses différentes zones conductrices, est
ensuite enroulée sur le manchon 1, le côté plan de propagation de
référence 2001 ou le côté brins étant plaqué sur la surface latérale du
manchon 1. Le manchon peut alors être rétiré ou non. Bien entendu, les
brins rayonnants 11, 12, 13 et 14 sont convenablement orientés.
Les différentes étapes représentées en figure 3 aux points a, b,
c,) de celle-ci, sont de manière classique avantageuse, réalisées par
masquage, insolation puis attaque chimique. Bien entendu, I'étape
S6(~
représentée au point c de la figure 3 peut avantageusement être réalisée
au moyen d'un seul et même masque.
De manière avantageuse, I'étape consijtant à découper la feuille
cle circuit imprimé 10 souple double face aux dimensions correspondantes
du manchon cylindrique 1, peut avantageusement être réalisée par
estampage à partir d'un outil de découpe approprié.
Ainsi qu'on l'a représenté en outre en figure 4, de manière
avantageuse, le découpage de la feuille de circuit imprimé double face 10,
aux dimensions correspondant à celles du manchon 1 peut consister par
exemple à découper la feuille précitée selon un contour dont la forme
correspond à celle d'un rectangle dont la longueur L correspond au
périmètre de la sec~ion du manchon 1, et dont la largeur I a une valeur
déterminée. En outre, cette forme comporte un parallélogramme superposé
sur le rectangle précité. Ce parallélogramme comprend un petit côté noté
a, lequel correspond à la longueur L du rectangle précité, et dont la
hauteur h est telle que la largeur I du rectangle augmentée de la hauteur h
du parallélogramme soit égale à la hauteur H du manchon 1, ainsi qu'on l'a
représenté en figure 4, le manchon 1 en dimension sensiblement
correspondante étant représenté au droit de la feuille de circuit imprimé
découpé. Bien entendu, I'angle du parallélogramme correspond à l'angle
d'enroulement en hélice des brins rayonnants sur le manchon 1, les brins
rayonnants 11, 12, 13 et 14, étant alors formés, ainsi que décrit
précédemment, parallèlement aux côtés correspondants du parallélogramme
précité.
Après enroulement de l'antenne, il est nécessaire d'assurer le
contact électrique des extrémités 101, 102 de la zone annulaire 100 par
soudure ou rivetage ou collage avec une colle conductrice. Un connecteur
adéquat 30 peut alors être mis en place à l'extrémité 25 de la ligne 20 par
une technique classique, telle que vissage, pinçage, soudage ou collage.
L'antenne de type hélice objet de l'invention peut également,
ainsi que représenté en figures 5a et 5b, comporter au moins un brin
~9~ ~60
rayonnant 11, 12, 13, 14 enroulé en hélice selon une forme de révolution
conique.
Sur la figure 5a, on a représenté la forme développée à plat du
circuit imprimé, lequel correspond au manchon de forme conique utilisé.
Le procédé objet de l'invention en ses différentes étapes de
~ravure du circuit d'alimentation 200, des brins rayonnants 11, 12, 13, 14 et
du court-circuit final éventuel 100 peut, bien entendu, s'appliquer à toute
antenne de forme développable et, en particulier, aux antennes hélices de
forme conique.
Ces dernières présentent par rapport aux antennes de forme
cylindrique une polarisation circulaire de meilleure qualité dans la
couverture et un rayonnement arrière, côté connecteur, plus faible. Par
contre, leur encombrement est plus important, à fréquence égale, et le
circuit développé présente une forme plus complexe, ainsi que l'indique la
figure 5a.
Le procédé de réalisation ne diffère de celui des antennes
hélices cylindriques que par la forme particulière du circuit développé, et
par la forme suivant laquelle celui-ci est enroulé.
On a ainsi décrit une antenne de type hélice et son mode de
réalisation à l'échelle industrielle, particulierèment avantageux. En effet,
de part sa conception, l'antenne objet de l'invention présente un très grand
degré de reproductibilité dans ses caractéristiques tant mécaniques que
électromagnétiques. En outre, de part la conception de l'antenne de type
hélice objet de l'invention, un procédé de mise en oeuvre et de réalisation
a pu être défini, lequel permet une production de ce type d'antenne à
l'échelle industrielle avec de très grands critères de fiabilité.
