EP0654845A1 - Elément rayonnant adaptable du type dipôle réalisé en technologie imprimée, procédé d'ajustement de l'adaptation et réseau correspondants - Google Patents

Elément rayonnant adaptable du type dipôle réalisé en technologie imprimée, procédé d'ajustement de l'adaptation et réseau correspondants Download PDF

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EP0654845A1
EP0654845A1 EP94460042A EP94460042A EP0654845A1 EP 0654845 A1 EP0654845 A1 EP 0654845A1 EP 94460042 A EP94460042 A EP 94460042A EP 94460042 A EP94460042 A EP 94460042A EP 0654845 A1 EP0654845 A1 EP 0654845A1
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EP
European Patent Office
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radiating element
end portion
slot
variable
supply line
Prior art date
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EP94460042A
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German (de)
English (en)
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EP0654845B1 (fr
Inventor
Roger Behe
Patrice 16 Avenue De Flirey Brachat
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Orange SA
Original Assignee
France Telecom SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/06—Details
    • H01Q9/065—Microstrip dipole antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/062—Two dimensional planar arrays using dipole aerials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285—Planar dipole

Definitions

  • the field of the invention is that of telecommunications antennas up to frequencies of the order of a gigahertz.
  • the invention relates to a radiating element of the dipole type. Indeed, it is still common in high frequency telecommunications to use such a radiating element of the dipole type as an omnidirectional transmitting or receiving antenna.
  • the invention has numerous applications, such as, for example, field readings, of the type of antenna diagram measurement or even measurement of electromagnetic compatibility.
  • the radiating elements of the dipole type known from the prior art generally consist of elements of two-wire lines, that is to say of conductive cylindrical rods, supplied by a supply line.
  • the supply lines (for example the coaxial lines) are generally asymmetrical, while the radiating elements are themselves symmetrical.
  • balun in order for the radiation from these radiating elements to be acceptable, a balun should be used.
  • a balun is traditionally represented as a transformer which involves localized or distributed impedances, and allows, when placed between a symmetrical radiating element and an asymmetrical supply line, to make the currents symmetrical on the radiating structure.
  • Such a balun has the major drawback of requiring always delicate focusing.
  • Radiating elements are also known which consist of cylindrical rods which are self-symmetrized, so that they can be used without a balun. Obtaining such an autosymmetry characteristic on these radiating elements cannot however be obtained only at the expense of an increased complexity of their structure.
  • the energy emitted by a generator and transmitted to a radiating element by a supply line is not radiated by the radiating element but returned to the generator.
  • this adaptation is achieved through the use of two additional sections (or stubs) placed one in series and the other in parallel.
  • stubs additional sections
  • the determination of the length of each stub (series or parallel) being empirical, the adaptation requires numerous welding / unsoldering operations.
  • the invention particularly aims to overcome these various drawbacks of the state of the art.
  • an objective of the invention is to provide a radiating element of the dipole type which has a large passband and omnidirectional patterns while having a small footprint and a very simple mechanical implementation.
  • the invention also aims to provide such a radiating element of the dipole type which does not require the joint use of a balun.
  • Another object of the invention is to provide such a radiating element of the dipole type which is easily adaptable to the supply line to which it is connected.
  • the radiating element according to the invention is therefore produced in printed technology, which allows a considerable saving of space and a much easier mechanical maintenance.
  • the metal deposit comprises on the one hand the two lateral strands (forming the horizontal bar of the T) which constitute the dipole proper, and on the other hand an extension, in a direction orthogonal to these lateral strands (extension forming the vertical bar of T), which constitutes the ground plane for the supply line.
  • the radiating element according to the invention does not require the joint use of a balun.
  • the supply line feeds the two side strands via the coupling slot.
  • the radiating element according to the invention is also adaptable thanks to the first and / or second means with variable capacity.
  • the modification of the capacity of the first means has the same effect as an elongation or a "physical" (that is to say real) reduction in the first variable length.
  • said slot is of rectangular shape.
  • the cumulative length of all of said two lateral strands is substantially equal to half the operating wavelength of said radiating element.
  • said two lateral strands are of the same length.
  • said supply line is a microstrip line.
  • the radiating element also comprises reflection means making it possible to suppress rear radiation from said radiating element.
  • the energy radiated by the radiating element is directed forward. This allows to gain approximately 3 dB on the maximum directivity of the radiating element.
  • the invention also relates to a network of radiating elements comprising at least at least two radiating elements according to the invention.
  • the invention also relates to a method of adjusting the adaptation of a radiating element, characterized in that it comprises a first step of adjusting said first variable length and a second step of adjusting said second variable length.
  • said first step of adjusting the first variable length consists in modifying the value of the capacity of first means with variable capacity connected between a ground plane and the end of the line feed located in the first end portion
  • said second step of adjusting the second variable length consists in modifying the value of the capacity of second variable capacity means connected between a ground plane and the end of the slot located in the second end portion
  • said first step of adjusting the first variable length also consists in partially cutting said first end portion of the supply line, and said second step of adjusting the second variable length also includes partially plugging said second end portion of the slot with a conductive material.
  • the invention therefore relates to a radiating element of the dipole type produced in printed technology.
  • Figure 1 shows a perspective view of an embodiment of such a radiating element.
  • the radiating element according to the invention mainly comprises a substrate plate 1, a supply line 2, and a metallic deposit 3.
  • the supply line 2 is located on the underside of the substrate plate 1. It is, for example, a microstrip line of width w. This supply line 2 is connected to a connector 4 (for example of the SMA type) making it possible to connect the radiating element to a traditional coaxial cable (not shown).
  • a connector 4 for example of the SMA type
  • the metal deposit 3 is located on the upper face of the substrate plate 1 and is T-shaped.
  • the horizontal bar of this T of the metallic deposit which is the radiating part 8 of the radiating element, consists of two lateral strands 5,6 separated by a coupling slot 7.
  • the length L and the width W of this radiating part 8 determine the mechanical properties specific to the radiating element.
  • the two lateral strands 5,6 have the same length L / 2.
  • the supply line 2 supplies the radiating part 8 (that is to say the two lateral strands 5, 6) via the coupling slot 7.
  • This slot 7 is for example of rectangular shape.
  • the vertical bar 11 of the T of the metal deposit 3 extends from the two lateral strands 5, 6 to the connector 4.
  • This part 11 of the metal deposit 3 constitutes a ground plane for the supply line 2 situated on the other face of the substrate plate 1.
  • the radiating element generates symmetrical currents on the radiating part 8.
  • the radiating element of the invention is self-symmetrized.
  • the supply line 2 has at its end opposite to that connected to the connector 4, an end portion of length l1 extending beyond the axis of the slot 7. This first length l1 of the end portion of the supply line 2 constitutes a series 9 open-circuit stub.
  • the coupling slot 7 has an end portion of length l2 extending beyond the supply line 2. This second length l2 of the end portion of the slot 7 constitutes a parallel stub 10 short-circuited slotted line.
  • the radiating element according to the invention comprises, although produced in a printed technologist, a series stub and a parallel stub. These two series and parallel stubs allow the adaptation of the radiating element, according to the principle of double stub adaptation, over a wide frequency band.
  • FIG. 2 presents an equivalent electrical diagram of a radiating element according to the invention
  • FIG. 5 presents a Smith abacus on which the main ones appear. stages of implementation of this principle.
  • FIG. 4 shows a variation curve, as a function of frequency, of the standing wave ratio (ROS) for an example of a radiating element as shown in FIG. 1.
  • ROS standing wave ratio
  • This curve makes it possible to calculate the passband [f1, f2] of the radiating element, that is to say the frequency band for which the ROS is less than 2.
  • This passband can also be expressed as a percentage, obtained by dividing the width (f2-f1) of the passband by the center frequency f3 of this passband.
  • the radiating element according to the invention therefore has a wide pass band.
  • FIG. 8 presents a variation curve, in a Smith chart, of the input impedance Z e for the previous example of a radiating element.
  • variable capacity means are for example, as shown in Figure 3, varactors 31 controlled electronically.
  • varying the capacity of these variable capacity means 31 has the same effect as lengthening or decreasing the length of the corresponding stub 9.
  • such an adjustment of the adaptation of the radiating element consists in modifying the capacities of the first and / or second means with variable capacity, which is equivalent to a modification of the lengths 11, 12 of stubs.
  • Figure 6 shows a second embodiment of a radiating element according to the invention.
  • this second embodiment differs from the first only in that it comprises reflection means 61 making it possible to suppress rear radiation from this radiating element.
  • the radiation of the dipole alone 62 is omnidirectional except in the axis of the dipole.
  • it is desired to direct the radiated energy towards the front of the dipole that is to say on the side opposite to the excitation).
  • reflection means 61 aim to increase the directivity of the assembly 62 produced in printed technology (and corresponding to the radiating element of the first embodiment).
  • reflection means 61 in the case where they consist of a reflector (in the absence of an ideally undefined defector plane), make it possible to gain approximately 3 dB on the maximum directivity.
  • the reflector 61 can have many other shapes than that presented in FIG. 6.
  • FIG. 7 shows an example of an array 71 of radiating elements 72 according to the invention.
  • the networking of radiating elements also makes it possible to obtain increased directivity and can therefore be combined or not with a reflector.
  • the network 71 comprises three radiating elements 72 as well as a reflector 73.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

L'invention concerne un élément rayonnant adaptable du type dipôle et constitué d'une plaque de substrat (1), d'une ligne d'alimentation (2) située sur la face inférieure de ladite plaque de substrat (1), et d'un dépôt métallique (3) situé sur la face supérieure de ladite plaque de substrat (1) et sensiblement en forme en T : la barre horizontale dudit T étant constituée de deux brins latéraux (5, 6) séparés par une fente de couplage (7), et la barre verticale (11) dudit T constituant un plan de masse pour ladite ligne d'alimentation (2), lesdits brins latéraux (5, 6) constituant la partie rayonnante dudit élément rayonnant.
Selon l'invention, ladite ligne d'alimentation (2) présente une première portion d'extrémité (9) s'étendant selon un axe interceptant l'axe de ladite fente de couplage (7) et dépassant dudit axe de la fente de couplage d'une première longueur variable (l1),
   ladite fente (7) présente une seconde portion d'extrémité (10) dépassant de l'axe de ladite première portion d'extrémité (9) de la ligne d'alimentation d'une seconde longueur variable (l2), et
   l'élément rayonnant comprend des premiers et/ou des seconds moyens à capacité variable, lesdits premiers moyens à capacité variable étant connectés entre un plan de masse (6) et l'extrémité de ladite ligne d'alimentation (3) située dans ladite première portion d'extrémité (9), lesdits seconds moyens à capacité variable étant connectés entre un plan de masse et l'extrémité de ladite fente située dans ladite seconde portion d'extrémité.

Description

  • Le domaine de l'invention est celui des antennes de télécommunication jusqu'à des fréquences de l'ordre du gigahertz.
  • Plus précisément, l'invention concerne un élément rayonnant du type dipôle. En effet, il est encore fréquent, dans les télécommunications hautes fréquences, d'utiliser un tel élément rayonnant du type dipôle en tant qu'antenne émettrice ou réceptrice omnidirectionnelle.
  • L'invention a de nombreuses applications, telles que par exemple les relevés de champs, du type mesure de diagrammes d'antennes ou encore mesure de compatibilité électromagnétique.
  • Les éléments rayonnants du type dipôle connus de l'état de la technique sont généralement constitués d'éléments de lignes bifilaires, c'est-à-dire de tiges cylindriques conductrices, alimentés par une ligne d'alimentation.
  • Ces éléments rayonnants connus constitués de tiges conductrices présentent des performances relativement large-bande, ce qui les rend utilisables dans de nombreuses applications.
  • Toutefois, plusieurs inconvénients sont liés à leur utilisation.
  • En effet, les lignes d'alimentation (par exemple les lignes coaxiales) sont généralement dissymétriques, alors que les éléments rayonnants sont eux symétriques.
  • Par conséquent, afin que le rayonnement de ces éléments rayonnants soit acceptable, il convient d'utiliser un symétriseur. Un symétriseur se représente traditionnellement comme un transformateur qui fait intervenir des impédances localisées ou distribuées, et permet, lorsqu'il est placé entre un élément rayonnant symétrique et une ligne d'alimentation dissymétrique, de rendre les courants symétriques sur la structure rayonnante. Un tel symétriseur présente l'inconvénient majeur de nécessiter une mise au point toujours délicate.
  • On connaît également des éléments rayonnants constitués de tiges cylindriques qui sont autosymétrisés, de façon à pouvoir être utilisés sans symétriseur. L'obtention, sur ces éléments rayonnants, d'une telle caractéristique d'autosymétrie ne peut toutefois être obtenue qu'au détriment d'une complexité accrue de leur structure.
  • Un autre inconvénient de ces éléments rayonnants connus du type dipôle à tiges cylindriques est lié à leur adaptation à la ligne d'alimentation à laquelle ils sont reliés.
  • En effet, sans une telle adaptation, l'énergie émise par un générateur et transmise à un élément rayonnant par une ligne d'alimentation n'est pas rayonnée par l'élément rayonnant mais renvoyée sur le générateur.
  • Généralement, cette adaptation est réalisée grâce à l'utilisation de deux tronçons supplémentaires (ou stubs) placés l'un en série et l'autre en parallèle. On parle alors d'adaptation double stub. Or, la détermination de la longueur de chaque stub (série ou parallèle) étant empirique, l'adaptation nécessite de nombreuses opérations de soudure/dessoudure.
  • Enfin, d'une façon générale, ces éléments rayonnants connus du type dipôle à tiges cylindriques présentent un encombrement relativement important ainsi qu'un maniement mécanique parfois difficile.
  • L'invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.
  • Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un élément rayonnant du type dipôle qui possède une large bande passante et des diagrammes omnidirectionnels tout en présentant un faible encombrement et une mise en oeuvre mécanique très simple.
  • L'invention a également pour objectif de fournir un tel élément rayonnant du type dipôle qui ne nécessite pas l'utilisation conjointe d'un symétriseur.
  • Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel élément rayonnant du type dipôle qui soit facilement adaptable à la ligne d'alimentation à laquelle il est relié.
  • Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un élément rayonnant adaptable du type dipôle et constitué de:
    • une plaque de substrat;
    • une ligne d'alimentation située sur la face inférieure de ladite plaque de substrat;
    • un dépôt métallique situé sur la face supérieure de ladite plaque de substrat et sensiblement en forme en T : la barre horizontale dudit T étant constituée de deux brins latéraux séparés par une fente de couplage, et la barre verticale dudit T constituant un plan de masse pour ladite ligne d'alimentation, lesdits brins latéraux constituant la partie rayonnante dudit élément rayonnant;
       ladite ligne d'alimentation présentant une première portion d'extrémité s'étendant selon un axe interceptant l'axe de ladite fente et dépassant dudit axe de la fente de couplage d'une première longueur variable,
       ladite fente présentant une seconde portion d'extrémité dépassant de l'axe de ladite première portion d'extrémité de la ligne d'alimentation d'une seconde longueur variable, et
       ledit élément rayonnant comprenant des premiers et/ou des seconds moyens à capacité variable, lesdits premiers moyens à capacité variable étant connectés entre un plan de masse et l'extrémité de ladite ligne d'alimentation située dans ladite première portion d'extrémité, lesdits seconds moyens à capacité variable étant connectés entre un plan de masse et l'extrémité de ladite fente située dans ladite seconde portion d'extrémité.
  • L'élément rayonnant selon l'invention est donc réalisé en technologie imprimée, ce qui permet un gain de place considérable et un maintien mécanique beaucoup plus aisé.
  • Par ailleurs, le dépôt métallique comprend d'une part les deux brins latéraux (formant la barre horizontale du T) qui constituent le dipôle proprement dit, et d'autre part un prolongement, selon une direction orthogonale à ces brins latéraux (prolongement formant la barre verticale du T), qui constitue le plan de masse pour la ligne d'alimentation.
  • Ainsi, la présence de ce plan de masse associé à la ligne d'alimentation assure que l'alimentation est autosymétrisée. En d'autres termes, l'élément rayonnant selon l'invention ne nécessite pas l'utilisation conjointe d'un symétriseur.
  • De plus, la ligne d'alimentation alimente les deux brins latéraux par l'intermédiaire de la fente de couplage.
  • Afin de pouvoir mettre en oeuvre le principe connu de l'adaptation double stubs dans le cas d'un élément rayonnant réalisé en technologie imprimée, l'invention propose une réalisation originale des stubs ou tronçons d'adaptation série et parallèle. En effet, selon l'invention :
    • le stub série est constitué de la première portion d'extrémité de la ligne d'alimentation qui dépasse de l'axe de la fente, et possède la première longueur variable ; et
    • le stub parallèle est constitué de la seconde portion d'extrémité de la fente qui dépasse de la première portion d'extrémité de la ligne d'alimentation, et possède la seconde longueur variable.
  • Un choix convenable de ces première et seconde longueurs variables permet d'adapter l'élément rayonnant sur une large bande.
  • L'élément rayonnant selon l'invention est également adaptable grâce aux premiers et/ou seconds moyens à capacité variable. En effet, la modification de la capacité des premiers moyens a le même effet qu'un allongement ou une diminution "physique" (c'est-à-dire réelle) de la première longueur variable. De même, on peut agir sur la seconde longueur variable en modifiant la capacité des seconds moyens à capacité variable.
  • Avantageusement, ladite fente est de forme rectangulaire.
  • Préférentiellement, la longueur cumulée de l'ensemble desdits deux brins latéraux est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement dudit élément rayonnant.
  • Ainsi, on obtient des valeurs classiques d'impédance de rayonnement pour les deux brins latéraux constituant le dipôle proprement dit.
  • Avantageusement, lesdits deux brins latéraux sont de même longueur.
  • De façon avantageuse, ladite ligne d'alimentation est une ligne microruban.
  • Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'élément rayonnant comprend également des moyens de réflexion permettant de supprimer un rayonnement arrière dudit élément rayonnant.
  • De cette façon, on dirige vers l'avant l'énergie rayonnée par l'élément rayonnant. Ceci permet de gagner à peu près 3 dB sur le maximum de directivité de l'élément rayonnant.
  • L'invention concerne également un réseau d'éléments rayonnants comprenant au moins deux éléments rayonnants selon l'invention.
  • Enfin, l'invention concerne aussi un procédé d'ajustement de l'adaptation d'un élément rayonnant, caractérisé en ce qu'il comprend une première étape d'ajustement de ladite première longueur variable et une seconde étape d'ajustement de ladite seconde longueur variable.
  • En effet, il est toujours nécessaire d'ajuster les valeurs des première et seconde longueurs variables (des stubs série et parallèle) que le principe de l'adaptation double stub permet de calculer théoriquement.
  • Dans un mode de réalisation du procédé selon l'invention, ladite première étape d'ajustement de la première longueur variable consiste à modifier la valeur de la capacité de premiers moyens à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de la ligne d'alimentation située dans la première portion d'extrémité,
       et ladite seconde étape d'ajustement de la seconde longueur variable consiste à modifier la valeur de la capacité de seconds moyens à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de la fente située dans la seconde portion d'extrémité.
  • Avantageusement, ladite première étape d'ajustement de la première longueur variable consiste également à découper partiellement ladite première portion d'extrémité de la ligne d'alimentation,
       et ladite seconde étape d'ajustement de la seconde longueur variable consiste également à boucher partiellement ladite seconde portion d'extrémité de la fente avec un matériau conducteur.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 présente une vue en perspective d'un mode de réalisation préférentiel de l'élément rayonnant selon l'invention;
    • la figure 2 présente un schéma électrique équivalent d'un élément rayonnant selon l'invention;
    • la figure 3 présente un exemple de moyens à capacité variable pouvant être mis en oeuvre dans un élément rayonnant selon l'invention;
    • la figure 4 présente une courbe de variation, en fonction de la fréquence, du rapport d'onde stationnaire pour un exemple d'élément rayonnant selon l'invention;
    • la figure 5 présente, sur un abaque de Smith, le principe de l'adaptation double stub;
    • la figure 6 présente un second mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention comprenant un réflecteur;
    • la figure 7 présente un exemple de réseau comprenant plusieurs éléments rayonnants selon l'invention ; et
    • la figure 8 présente une courbe de variation, dans un abaque de Smith, de l'impédance d'entrée pour un exemple d'élément rayonnant selon l'invention.
  • L'invention concerne donc un élément rayonnant du type dipôle réalisé en technologie imprimée. La figure 1 présente une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un tel élément rayonnant.
  • Comme montré sur cette figure 1, l'élément rayonnant selon l'invention comprend principalement une plaque de substrat 1, une ligne d'alimentation 2, et un dépôt métallique 3.
  • La plaque de substrat 1 est par exemple un substrat Duroïd du type verte téflon, possédant une permittivité relative εr = 2,2 et une épaisseur h = 0,76 mm.
  • La ligne d'alimentation 2 est située sur la face inférieure de la plaque de substrat 1. Il s'agit par exemple d'une ligne microruban de largeur w. Cette ligne d'alimentation 2 est reliée à un connecteur 4 (par exemple de type SMA) permettant de relier l'élément rayonnant à un câble coaxial traditionnel (non représenté).
  • Le dépôt métallique 3 est situé sur la face supérieure de la plaque de substrat 1 et est en forme de T.
  • La barre horizontale de ce T du dépôt métallique, qui est la partie rayonnante 8 de l'élément rayonnant, est constituée de deux brins latéraux 5,6 séparés par une fente de couplage 7. La longueur L de cette partie rayonnante 8 est choisie égale à la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement, de façon à avoir une valeur classique d'impédance, à savoir Z r = 73 Ω + j 42 Ω
    Figure imgb0001
     (la partie imaginaire de Zr pouvant être annulée en retouchant légèrement la longueur L de la partie rayonnante). La longueur L et la largeur W de cette partie rayonnante 8 déterminent les propriétés mécaniques propres à l'élément rayonnant.
  • Dans l'exemple présenté, les deux brins latéraux 5,6 sont de même longueur L/2.
  • La ligne d'alimentation 2 alimente la partie rayonnante 8 (c'est-à-dire les deux brins latéraux 5, 6) par l'intermédiaire de la fente de couplage 7. Cette fente 7 est par exemple de forme rectangulaire.
  • La barre verticale 11 du T du dépôt métallique 3 s'étend à partir des deux brins latéraux 5, 6 jusqu'au connecteur 4.
  • Cette partie 11 du dépôt métallique 3 constitue un plan de masse pour la ligne d'alimentation 2 située sur l'autre face de la plaque de substrat 1. De cette façon, l'élément rayonnant génère des courants symétriques sur la partie rayonnante 8. En d'autres termes, l'élément rayonnant de l'invention est autosymétrisé.
  • La ligne d'alimentation 2 possède à son extrémité opposée à celle reliée au connecteur 4, une portion d'extrémité de longueur l1 s'étendant au delà de l'axe de la fente 7. Cette première longueur l1 de la portion d'extrémité de la ligne d'alimentation 2 constitue un stub série 9 circuit-ouvert.
  • La fente de couplage 7 possède une portion d'extrémité de longueur l2 s'étendant au delà de la ligne d'alimentation 2. Cette seconde longueur l2 de la portion d'extrémité de la fente 7 constitue un stub parallèle 10 court-circuit en ligne à fente.
  • Ainsi, l'élément rayonnant selon l'invention comprend, bien que réalisé en technologue imprimée, un stub série et un stub parallèle. Ces deux stubs série et parallèle permettent l'adaptation de l'élément rayonnant, selon le principe de l'adaptation double stub, sur une large bande de fréquences.
  • Le principe de l'adaptation double stub est maintenant expliqué brièvement en relation avec la figure 2, qui présente un schéma électrique équivalent d'un élément rayonnant selon l'invention, et la figure 5 qui présente un abaque de Smith sur lequel apparaissent les principales étapes de mise en oeuvre de ce principe.
  • Comme cela apparaît sur la figure 2 :
    • la partie rayonnante présente une impédance Z r = R r + j X r
      Figure imgb0002
       ;
    • le stub série de longueur l1 présente une réactance ajustable X₁ (X₁ étant fonction de l1) ; et
    • le stub parallèle de longueur l2 présente une susceptance ajustable B₂ (B₂ étant fonction de l2).
  • L'adaptation de l'élément rayonnant consiste à rendre l'impédance d'entrée Ze de cet élément rayonnant égale à l'impédance caractéristique Zc du câble coaxial. Typiquement, on a Zc = 50 Ω.
  • Cette adaptation (c'est-à-dire l'égalité Ze = Zc) est réalisée grâce à un choix convenable de la réactance X₁ et de la susceptance B₂, c'est-à-dire des longueurs l1 et l2 des stubs série et parallèle.
  • Comme présenté en relation avec la figure 5, l'abaque de Smith permet de déterminer les valeurs acceptables de X₁ et B₂, à partir de la valeur de Z r = 1/Y r
    Figure imgb0003
     .
  • Les étapes de calcul sont les suivantes :
    • on construit le cercle G = 1 décalé de 180 degrés, pour le passage en admittance :
    • à partir du point Yr, on ajoute j B₂ en se déplaçant le long du cercle à conductance constante, jusqu'à l'intersection avec le cercle G = 1 décalé. La nouvelle valeur de l'admittance est Y'L ou Y''L;
    • on prend le symétrique de Y'L ou Y''L pour avoir la nouvelle valeur en impédance (à savoir Z'L ou Z''L) qui se situe comme on l'a imposé sur le cercle G = 1 ;
    • on soustrait la réactance j X' ou j X'' (puisque l'origine de l'abaque correspond à une condition d'adaptation parfaite). La valeur X₂ est donc X' ou X''.
  • Il est à noter que la plus grande bande passante est obtenue quand les éléments réactifs sont choisis les plus petits possible, de sorte que le facteur de qualité du circuit d'adaptation reste faible.
  • La figure 4 présente une courbe de variation, en fonction de la fréquence, du rapport d'onde stationnaire (ROS) pour un exemple d'élément rayonnant tel que montré sur la figure 1.
  • Dans cet exemple, l'élément rayonnant est caractérisé par les grandeurs géométriques suivantes :
    • plaque de substrat 1 Duroïd type verte téflon, de permittivité relative εr = 2,2 et d'épaisseur h = 0,76 mm ;
    • ligne d'alimentation 2 de largeur w = 2,16 mm ;
    • partie rayonnante (dipôle) 8 de longueur L = 55 mm et de largeur W = 10 mm ;
    • stub série de longueur l1 = 10,5 mm ; et
    • stub parallèle de longueur l2 = 10 mm.
  • Cette courbe permet de calculer la bande passante [f₁, f₂] de l'élément rayonnant, c'est-à-dire la bande de fréquences pour lesquelles le ROS est inférieur à 2. Cette bande passante peut également s'exprimer en pourcentage, obtenu par division de la largeur (f₂-f₁) de la bande passante par la fréquence centrale f₃ de cette bande passante.
  • Dans cet exemple, la bande passante est sensiblement comprise entre f₁ = 1,83 GHz et f₂ = 2,84 GHz. Avec une fréquence centrale f₃ = 2,33 GHz, cette bande passante est égale à 44 %. L'élément rayonnant selon l'invention possède donc une large bande passante.
  • La figure 8 présente une courbe de variation, dans un abaque de Smith, de l'impédance d'entrée Ze pour l'exemple précédent d'élément rayonnant.
  • Aux fréquences f₁, f₂ et f₃ définissant la bande passante, on a les impédances d'entrée Ze1, Ze2 et Ze3, avec :

    Z e1 = 25,55 Ω + j 5,53 Ω et f₁ = 1,83 GHz ;
    Figure imgb0004
    Z e2 = 48,97 Ω + j 3,5 Ω et f₂ = 2,33 GHz ;
    Figure imgb0005
    Z e3 = 37,22 Ω + j 28,2 Ω et f₃ = 2,84 GHz.
    Figure imgb0006
  • On remarquera la présence de la boucle qui garantit une faible dispersion en fréquence et traduit l'efficacité de l'adaptation.
  • Lors de la phase expérimentale, il peut exister une légère désadaptation de l'élément rayonnant et il convient alors d' ajuster les longueurs l1, l2 des stubs série et parallèle, ces longueurs l1, l2 étant calculées préalablement grâce au principe de l'adaptation double stub décrite précédemment.
  • Pour permettre un tel ajustement des longueurs l1, l2 l'élément rayonnant comprend :
    • des premiers moyens 31 (figure 3) à capacité variable connectés entre un plan de masse (par exemple un des brins latéraux 6) et l'extrémité 32 de la portion d'extrémité de la ligne d'alimentation constituant le stub série 9 ; et/ou
    • des seconds moyens (non représentés) à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de la fente constituant le stub parallèle.
  • Ces premiers et/ou seconds moyens à capacité variable sont par exemple, comme présenté à la figure 3, des varactors 31 commandés électroniquement. Ainsi, la variation de la capacité de ces moyens 31 à capacité variable a le même effet qu'un allongement ou une diminution de la longueur du stub correspondant 9.
  • Ainsi, un tel ajustement de l'adaptation de l'élément rayonnant consiste à modifier les capacités des premiers et/ou seconds moyens à capacité variable, ce qui est équivalent à une modification des longueurs l1, l2 de stubs.
  • Ce procédé d'ajustement "électronique" peut éventuellement être complété par un ajustement "manuel" tel que :
    • l'ajustement de la longueur l1 du stub série consiste également à découper partiellement la portion d'extrémité de la ligne d'alimentation dépassant de la fente ; et
    • l'ajustement de la longueur l2 du stub parallèle consiste également à boucher partiellement, avec un matériau conducteur, la portion d'extrémité de la fente dépassant de la ligne d'alimentation.
  • La figure 6 présente un second mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention. En fait, ce second mode de réalisation se différencie du premier uniquement en ce qu'il comprend des moyens 61 de réflexion permettant de supprimer un rayonnement arrière de cet élément rayonnant. En effet, le rayonnement du dipôle seul 62 est omnidirectionnel excepté dans l'axe du dipôle. Or pour certaines applications, on souhaite diriger l'énergie rayonnée vers l'avant du dipôle (c'est-à-dire du côté opposé à l'excitation).
  • Ces moyens 61 de réflexion visent à accroître la directivité de l'ensemble 62 réalisé en technologie imprimée (et correspondant à l'élément rayonnant du premier mode de réalisation).
  • Ces moyens 61 de réflexion, dans le cas où ils sont constitués d'un réflecteur (à défaut d'un plan défecteur idéalement indéfini), permettent de gagner environ 3 dB sur le maximum de directivité.
  • Il est clair que le réflecteur 61 peut posséder de nombreuses autres formes que celle présentée sur la figure 6.
  • La figure 7 présente un exemple de réseau 71 d'éléments rayonnants 72 selon l'invention. La mise en réseau d'éléments rayonnants permet également d'obtenir une directivité accrue et peut donc être combinée ou non à un réflecteur. Dans cet exemple, le réseau 71 comprend trois éléments rayonnants 72 ainsi qu'un réflecteur 73.

Claims (10)

  1. Elément rayonnant adaptable, du type dipôle et constitué de :
    - une plaque de substrat (1) ;
    - une ligne d'alimentation (2) située sur la face inférieure de ladite plaque de substrat (1) ;
    - un dépôt métallique (3) situé sur la face supérieure de ladite plaque de substrat (1) et sensiblement en forme en T : la barre horizontale dudit T étant constituée de deux brins latéraux (5, 6) séparés par une fente de couplage (7), et la barre verticale (11) dudit T constituant un plan de masse pour ladite ligne d'alimentation (2), lesdits brins latéraux (5, 6) constituant la partie rayonnante dudit élément rayonnant ;
       caractérisé en ce que ladite ligne d'alimentation (2) présente une première portion d'extrémité (9) s'étendant selon un axe interceptant l'axe de ladite fente de couplage (7) et dépassant dudit axe de la fente de couplage d'une première longueur variable (l1),
       en ce que ladite fente (7) présente une seconde portion d'extrémité (10) dépassant de l'axe de ladite première portion d'extrémité (9) de la ligne d'alimentation d'une seconde longueur variable (l2),
       et en ce qu'il comprend des premiers (31) et/ou des seconds moyens à capacité variable, lesdits premiers moyens (31) à capacité variable étant connectés entre un plan de masse (6) et l'extrémité (32) de ladite ligne d'alimentation (3) située dans ladite première portion d'extrémité (9), lesdits seconds moyens à capacité variable étant connectés entre un plan de masse et l'extrémité de ladite fente située dans ladite seconde portion d'extrémité.
  2. Elément rayonnant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fente (7) est de forme rectangulaire.
  3. Elément rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la longueur cumulée de l'ensemble desdits deux brins latéraux (5, 6) est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement dudit élément rayonnant.
  4. Elément rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits deux brins latéraux (5, 6) sont de même longueur.
  5. Elément rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite ligne d'alimentation (3) est une ligne microruban.
  6. Elément rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5' caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de réflexion (61) permettant de supprimer un rayonnement arrière dudit élément rayonnant.
  7. Réseau d'éléments rayonnants caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux éléments rayonnants (72) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
  8. Procédé d'ajustement de l'adaptation d'un élément rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une première étape d'ajustement de ladite première longueur variable (l1) et une seconde étape d'ajustement de ladite seconde longueur variable (l2).
  9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite première étape d'ajustement de la première longueur variable consiste à modifier la valeur de la capacité de premiers moyens à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de la ligne d'alimentation située dans la première portion d'extrémité,
       et en ce que ladite seconde étape d'ajustement de la seconde longueur variable consiste à modifier la valeur de la capacité de seconds moyens à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de la fente située dans la seconde portion d'extrémité.
  10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite première étape d'ajustement de la première longueur variable consiste également à découper partiellement ladite première portion d'extrémité de la ligne d'alimentation,
       et en ce que ladite seconde étape d'ajustement de la seconde longueur variable consiste également à boucher partiellement ladite seconde portion d'extrémité de la fente avec un matériau conducteur.
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