EP2096708A1 - Antenne pour véhicule automobile, en particulier pour la réception de signaux radio terrestres et/ou satellites - Google Patents

Antenne pour véhicule automobile, en particulier pour la réception de signaux radio terrestres et/ou satellites Download PDF

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EP2096708A1
EP2096708A1 EP09305160A EP09305160A EP2096708A1 EP 2096708 A1 EP2096708 A1 EP 2096708A1 EP 09305160 A EP09305160 A EP 09305160A EP 09305160 A EP09305160 A EP 09305160A EP 2096708 A1 EP2096708 A1 EP 2096708A1
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EP
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coil
antenna
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main
main section
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Withdrawn
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EP09305160A
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German (de)
English (en)
Inventor
Johann Le Nezet
Didier Viratelle
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Compagnie Europeenne de Composants Electroniques LCC CICE
Original Assignee
Compagnie Europeenne de Composants Electroniques LCC CICE
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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
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/32—Vertical arrangement of element
    • H01Q9/36—Vertical arrangement of element with top loading
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support

Definitions

  • the present invention relates to an antenna for a motor vehicle.
  • this antenna is adapted for receiving circularly polarized radio signals that are circularly right and / or left in a determined wavelength band and having an opening angle at 3dB (angular range for which the gain is between a maximum gain equal to about 4dBi and said maximum gain subtracted by 3 dB) ranging from about 15 ° to about 45 ° with respect to the horizon.
  • 3dB angular range for which the gain is between a maximum gain equal to about 4dBi and said maximum gain subtracted by 3 dB
  • the present antenna is also suitable for receiving linearly polarized terrestrial radio signals vertically in the same wavelength band as for satellite applications, although the gain between 0 ° and 15 ° with respect to the horizon is less (between 0 and -4 dBi) at the useful angle gain for satellite applications (> 15 ° with respect to the horizon).
  • the shape of the radiation pattern and the radiated gain value of an antenna are very important parameters to obtain a good operation.
  • Wired antennas are well suited for land mobile communications because they have omnidirectional radiation in a horizontal plane for low elevation angles (typically between 0 ° and 15 ° with respect to the horizon) .
  • Planar antennas patch or reflector antenna (parabola) are adapted for satellite communications (15-45 °) because they have narrow radiation patterns that increase the gain on a low solid angle.
  • This device can be mechanical, as on parables, or with an antenna array misalignment (often the case of planar antennas).
  • the radiation of the antenna is omnidirectional for the operation to be independent of the movement of the vehicle.
  • no or few antennas make it possible to have a sufficient circular gain in a horizontal section plane with a high elevation angle.
  • An object of the present invention is therefore to solve the problem mentioned above with the aid of a reliable solution, compact, inexpensive and simple design.
  • the antenna provides a more homogeneous gain for a wide angular range of elevation (about 30 °) compared to a monopole antenna type "whip".
  • the radiation pattern also remains approximately circular in a horizontal section plane.
  • radiation at the angles elevation less than 15 ° is consistent with land mobile communications (such as FM radio or mobile telephony) with a gain better than -5dBi measured on a 1m side ground plane.
  • the antenna according to the present invention is ideally suited for terrestrial and satellite hybrid applications.
  • the dimensions of the antenna are reduced, facilitating its integration in multiple locations of the vehicle.
  • each secondary branch of the support is extended by a 90 ° elbow directed towards the free end of the main branch so that each secondary section of the conductive track is also extended by a bend directed towards the free end of the main section.
  • the dimensions of the antenna are further reduced without causing loss in terms of gain.
  • This particular shape, and in particular the use of coils, makes it possible to reduce the length of the antenna relative to the average wavelength of the signal picked up.
  • the first coil is disposed substantially in the center of the main section and the coil is disposed just in the immediate vicinity of the junction of the main section with the secondary sections.
  • each coil has several meanders.
  • the first coil of the main section has six meanders
  • the second coil of the main section has three meanders
  • each coil of each bend has five meanders.
  • the antenna according to the present invention is adapted for receiving an L-band signal for application at frequencies between about 1400 MHz to 1600 MHz, with a maximum bandwidth of 40 MHz.
  • FIG. figure 1 is a schematic view of the antenna according to the present invention
  • the antenna 1 comprises a support 10 having a relative permittivity of about 4.4 and having a thickness of about 1.6 millimeters.
  • This substrate is made for example of FR4 epoxy glass of known type.
  • the support 10 has a T shape and comprises a main branch 11 and two secondary branches 12 perpendicular to the main branch 11.
  • a track 20 of about 1 millimeter wide electrically conductive material, such as copper is printed on the support 10.
  • This track 20 defines an aerial which forms the signal receiver.
  • This aerial 20, also T-shaped, has a main section 21 and two secondary sections 22 which marry the secondary branches 12 of the support.
  • the main section 21 of the track 20 measures substantially ⁇ / 3 while each of the secondary sections 22 measures ⁇ / 8, ⁇ being the wavelength of the average frequency of the signal for which the antenna is adapted, for example between 1470 MHz to 1510 MHz, with a maximum bandwidth of 40 MHz.
  • Each secondary branch 12 of the support 10 is extended by a bend 13 at 90 ° directed towards the free end 11a of the main branch 11 so that each secondary section 22 of the track conductive 20 is also extended by a bend 23 directed towards the free end 21a of the main section 21.
  • the conductive track 20 comprises, starting from the free end 21a of the main section 21, a first straight strand 31, a first coil 32, a second straight strand 33, and a second coil 34.
  • the first serpentine 32 is disposed substantially in the center of the main section 21 and the second coil 34 is disposed in the immediate vicinity of the junction 25 of the main section 21 with the secondary sections 22.
  • each secondary section 22 comprises, starting from the junction 25 with the main section 21, a third straight strand 35 which ends substantially at the junction with the elbow 23, and a third coil 36 which ends at the free end 23a of the elbow 23.
  • the first coil 32 of the main section 21 has six meanders
  • the second coil 34 of the main section has three meanders
  • each coil 36 of each bend 23 has five meanders.
  • the antenna according to the present invention operates on the principle of a monopole antenna whose height is not a quarter of the average wavelength, as is the case for most applications, especially in the automotive field, but three-quarter wave.
  • the addition of the horizontal bar (the branches) thus disrupts the radiation pattern and make it homogeneous over a larger angular range even if the gain is lower.
  • Satellite communications are carried by circularly polarized signals (right or left).
  • the antenna of the present invention mainly receives signals polarized in a straight line. Since a circularly polarized signal can be broken down into two linearly polarized signals (vertically and horizontally) of the same amplitude (but 90 ° out of phase), the antenna also has the characteristic that it can simultaneously receive circular polarized satellite signals. right and left. However, the gain of the antenna in this mode of operation is degraded by 3dB (because the antenna receives only the vertical component of the satellite signal). But since the gain of the antenna is relatively high (> 4dBi in linear polarization), this antenna is suitable for most satellite applications.
  • the antenna sees its dimensions reduced in both directions but it retains the same properties and in particular the shape of its radiation pattern.
  • the meanders reduce the stationary wave ratio (TOS) from 10 (antenna without meandering) to 3, which facilitates the operation of the antenna with a circuit adapted to 50 Ohms.
  • TOS stationary wave ratio
  • this antenna also makes it possible to perform both functions with a single aerial, while remaining within acceptable operating standards.
  • This antenna can be realized with simple methods of engraving on printed circuits. It is therefore particularly cheap and produced in large quantities, which is a significant advantage in the automotive equipment industry.
  • the number of meanders per coil can vary as soon as the sizing criteria with respect to the average wavelength of the signal picked up are respected.

Landscapes

  • Details Of Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

La présente invention se rapporte à une antenne (1) pour véhicule automobile, en particulier pour la réception de signaux radio ou satellites polarisés circulairement droite et/ou gauche dans une bande de longueurs d'onde déterminées et présentant un angle d'ouverture à 3dB s'étendant d'environ 15° à environ 45° par rapport à l'horizon et pour réception de signaux radio terrestres polarisés linéairement verticalement dans la même bande de longueurs d'onde que pour les applications satellites, comprenant : - un support (10) en forme de T comportant une branche principale (11) et deux branches secondaires (12), - une piste (20) en matériau conducteur d'électricité montée sur le support (10) et définissant un aérien comportant une section principale (21) et deux sections secondaires (22) ayant également ensemble une forme de T, caractérisée en ce que la section principale (21) de la piste conductrice (20) mesure sensiblement »/3 tandis que chacune des sections secondaires (22) mesure »/8, » étant la longueur d'onde de la fréquence moyenne du signal pour lequel l'antenne est adaptée.

Description

  • La présente invention concerne une antenne pour véhicule automobile.
  • Plus précisément, cette antenne est adaptée pour la réception de signaux radio satellites polarisés circulairement droite et/ou gauche dans une bande de longueurs d'onde déterminées et présentant un angle d'ouverture à 3dB (plage angulaire pour laquelle le gain est compris entre un gain maximum égal à environ 4dBi et ledit gain maximum retranché de 3 dB) s'étendant d'environ 15° à environ 45° par rapport à l'horizon.
  • La présente antenne convient également pour la réception de signaux radio terrestres polarisés linéairement verticalement dans la même bande de longueurs d'onde que pour les applications satellites, bien que le gain entre 0° et 15° par rapport à l'horizon soit inférieur (entre 0 et -4 dBi) au gain aux angles utiles pour les applications satellites (> 15° par rapport à l'horizon).
  • L'intégration d'une antenne dans une automobile doit tenir compte de nombreuses contraintes et respecter de nombreux critères. En particulier, ses dimensions doivent être réduites tout en respectant les performances fixées dans le cahier des charges et avec un coût de fabrication le plus faible possible.
  • Par ailleurs, la forme du diagramme de rayonnement et la valeur de gain rayonné d'une antenne sont des paramètres très importants pour obtenir un bon fonctionnement.
  • Les antennes de type filaire (dipôle, monopôle) sont bien adaptées pour les communications mobiles terrestres car elles ont un rayonnement omnidirectionnel dans un plan horizontal pour des angles d'élévation bas (typiquement entre 0° et 15° par rapport à l'horizon).
  • Les antennes planaires (patch) ou à réflecteur (parabole) sont quant à elles adaptées pour les communications satellites (15-45°) car elles présentent des diagrammes de rayonnement étroits qui permettent d'augmenter le gain sur un faible angle solide. Selon la position des satellites, il peut être nécessaire d'ajouter un dispositif afin de contrôler l'angle de réception de ces antennes. Ce dispositif peut être mécanique, comme sur les paraboles, ou alors avec un dépointage par réseau d'antenne (souvent le cas des antennes planaires).
  • Dans le domaine des communications mobiles appliquées à une automobile, il est souvent désiré que le rayonnement de l'antenne soit omnidirectionnel pour que le fonctionnement soit indépendant du mouvement du véhicule. Or, pour des applications de réception satellite, pas ou peu d'antennes permettent d'avoir un gain circulaire suffisant dans un plan de coupe horizontal avec un angle d'élévation élevé.
  • Un but de la présente invention est donc de résoudre le problème cité précédemment à l'aide d'une solution fiable, peu encombrante, bon marché et de conception simple.
  • Ainsi, la présente invention a pour objet une antenne pour véhicule automobile, en particulier pour la réception de signaux radio ou satellites polarisés circulairement droite et/ou gauche dans une bande de longueurs d'onde déterminées et présentant un angle d'ouverture à 3dB s'étendant d'environ 15° à environ 45° par rapport à l'horizon et pour réception de signaux radio terrestres polarisés linéairement verticalement dans la même bande de longueurs d'onde que pour les applications satellites, comprenant :
    • un support en forme de T comportant une branche principale et deux branches secondaires perpendiculaires à la branche principale,
    • une piste en matériau conducteur d'électricité, tel que du cuivre, montée sur le support et définissant un aérien comportant une section principale et deux sections secondaires ayant également ensemble une forme de T,
    caractérisée en ce que la section principale de la piste conductrice mesure sensiblement λ/3 tandis que chacune des sections secondaires de la piste mesure λ/8, λ étant la longueur d'onde de la fréquence moyenne du signal pour lequel l'antenne est adaptée.
  • De cette façon, l'antenne permet d'obtenir un gain plus homogène pour une large plage angulaire d'élévation (environ 30°) par rapport à une antenne monopole de type « fouet ». Le diagramme de rayonnement reste par ailleurs approximativement circulaire dans un plan de coupe horizontal. De plus, le rayonnement aux angles d'élévation inférieurs à 15° est conforme avec les communications mobiles terrestres (comme la radio FM ou la téléphonie mobile) avec un gain meilleur que -5dBi mesuré sur un plan de masse de 1m de côté. Ainsi, l'antenne selon la présente invention convient parfaitement pour des applications hybrides terrestres et satellites. Enfin, les dimensions de l'antenne sont réduites, facilitant son intégration en de multiples endroits du véhicule.
  • Dans un mode de réalisation préféré, chaque branche secondaire du support se prolonge par un coude à 90° dirigé vers l'extrémité libre de la branche principale de sorte que chaque section secondaire de la piste conductrice se prolonge également par un coude dirigé vers l'extrémité libre de la section principale.
  • De cette façon, les dimensions de l'antenne sont encore réduites sans provoquer de perte en terme de gain.
  • Avantageusement, la piste conductrice comprend, en partant de l'extrémité libre de la section principale,
    • un premier brin droit,
    • une premier serpentin,
    • un second brin droit, et
    • un second serpentin.
  • Cette forme particulière, et notamment l'utilisation de serpentins, permet de réduire la longueur de l'antenne par rapport à la longueur d'onde moyenne du signal capté.
  • De préférence, le premier serpentin est disposé sensiblement au centre de la section principale et le serpentin est disposé juste à proximité immédiate de la jonction de la section principale avec les sections secondaires.
  • Selon un mode particulier de réalisation, chaque section secondaire comporte, en partant de la jonction avec la section principale :
    • un brin droit qui se termine sensiblement au niveau de la jonction avec le coude,
    • un serpentin qui se termine à l'extrémité libre du coude.
  • Cela permet de réduire encore la largeur de l'antenne par rapport à la longueur d'onde moyenne du signal capté, sans dégradation importante du gain rayonné (perte de 1db).
  • De manière préférée chaque serpentin comporte plusieurs méandres.
  • Avantageusement, le premier serpentin de la section principale comporte six méandres, le second serpentin de la section principale comporte trois méandres et chaque serpentin de chaque coude comporte cinq méandres.
  • L'antenne selon la présente invention est adaptée pour la réception d'un signal en bande L pour une application aux fréquences comprises entre environ 1400 MHz à 1600 MHz, avec une bande passante maximale de 40 MHz.
  • L'invention va maintenant être décrite plus en détail en référence à un mode de réalisation particulier donné à titre d'illustration uniquement et représenté sur la figure 1 qui est une vue schématisée de l'antenne conforme à la présente invention
  • Sur cette figure, l'antenne 1 comporte un support 10 à permittivité relative d'environ 4,4 et ayant une épaisseur d'environ 1,6 millimètres. Ce substrat est réalisé par exemple en verre époxy FR4 de type connu. Le support 10 présente une forme de T et comporte une branche principale 11 et deux branches secondaires 12 perpendiculaires à la branche principale 11.
  • Une piste 20 d'environ 1 millimètre de largeur en matériau conducteur d'électricité, tel que du cuivre est imprimée sur le support 10. Cette piste 20 définit un aérien qui forme le récepteur de signaux. Cet aérien 20, également en forme de T, comporte une section principale 21 et deux sections secondaires 22 qui épousent les branches secondaires 12 du support.
  • Selon un premier critère important de la présente invention, la section principale 21 de la piste 20 mesure sensiblement λ/3 tandis que chacune des sections secondaires 22 mesure λ/8, λ étant la longueur d'onde de la fréquence moyenne du signal pour lequel l'antenne est adaptée, par exemple comprise entre 1470 MHz à 1510 MHz, avec une bande passante maximale de 40 MHz.
  • Chaque branche secondaire 12 du support 10 se prolonge par un coude 13 à 90° dirigé vers l'extrémité libre 11a de la branche principale 11 de sorte que chaque section secondaire 22 de la piste conductrice 20 se prolonge également par un coude 23 dirigé vers l'extrémité libre 21a de la section principale 21.
  • Comme cela est visible, la piste conductrice 20 comprend, en partant de l'extrémité libre 21a de la section principale 21, un premier brin droit 31, une premier serpentin 32, un second brin droit 33, et un second serpentin 34. Le premier serpentin 32 est disposé sensiblement au centre de la section principale 21 et le second serpentin 34 est disposé à proximité immédiate de la jonction 25 de la section principale 21 avec les sections secondaires 22.
  • De même, chaque section secondaire 22 comporte, en partant de la jonction 25 avec la section principale 21, un troisième brin droit 35 qui se termine sensiblement au niveau de la jonction avec le coude 23, et un troisième serpentin 36 qui se termine à l'extrémité libre 23a du coude 23.
  • Le premier serpentin 32 de la section principale 21 comporte six méandres, le second serpentin 34 de la section principale comporte trois méandres et chaque serpentin 36 de chaque coude 23 comporte cinq méandres.
  • L'antenne conforme à la présente invention fonctionne sur le principe d'une antenne monopôle dont la hauteur ne serait pas d'un quart de la longueur d'onde moyenne, comme c'est le cas pour la plupart des applications, notamment dans le domaine de l'automobile, mais de trois quart d'onde. L'ajout de la barre horizontale (les branches) permet ainsi de perturber le diagramme de rayonnement et le rendre homogène sur une plus grande plage angulaire même si le gain est plus faible.
  • Les communications satellites sont portées par des signaux polarisés circulairement (droite ou gauche). L'antenne de la présente invention reçoit majoritairement des signaux polarisés de façon rectiligne. Comme un signal polarisé de façon circulaire peut être décomposé en deux signaux polarisés linéairement (verticalement et horizontalement) de même amplitude (mais déphasés de 90°), l'antenne a également pour caractéristique qu'elle peut recevoir simultanément des signaux satellites polarisés circulairement à droite et à gauche. Toutefois, le gain de l'antenne dans ce mode de fonctionnement est dégradé de 3dB (car l'antenne ne reçoit que la composante verticale du signal satellitaire). Mais comme le gain de l'antenne est relativement élevé (>4dBi en polarisation rectiligne), cette antenne convient pour la plupart des applications satellites.
  • Grâce aux différents méandres 32 des parties en forme de serpentin, l'antenne voit ses dimensions réduites dans les deux directions mais elle conserve les mêmes propriétés et notamment la forme de son diagramme de rayonnement. Par ailleurs, les méandres permettent de réduire le taux d'onde stationnaire (TOS) de 10 (antenne sans méandre) à 3, ce qui facilite le fonctionnement de l'antenne avec un circuit adapté à 50 Ohms.
  • Dans le cas d'un système hybride satellite-terrestre, cette antenne permet également de réaliser les deux fonctions avec un seul aérien, en restant dans les normes acceptables de fonctionnement.
  • Cette antenne peut être réalisée avec des méthodes simples de gravure sur circuits imprimés. Elle est donc particulièrement bon marché et être produite en grande quantité, ce qui est un avantage notable dans l'industrie de l'équipement automobile.
  • Il va de soi que la description détaillée de l'objet de l'Invention, donnée uniquement à titre d'illustration, ne constitue en aucune manière une limitation, les équivalents techniques étant également compris dans le champ de la présente invention.
  • Ainsi, le nombre de méandre par serpentin peut varier dès lors que les critères de dimensionnement par rapport à la longueur d'onde moyenne du signal capté sont respectés.
  • D'autres substrats peuvent également être utilisés selon l'application choisie.

Claims (7)

  1. Antenne (1) pour véhicule automobile, en particulier pour la réception de signaux radio ou satellites polarisés circulairement droite et/ou gauche dans une bande de longueurs d'onde déterminées et présentant un angle d'ouverture à 3dB s'étendant d'environ 15° à environ 45° par rapport à l'horizon et pour réception de signaux radio terrestres polarisés linéairement verticalement dans la même bande de longueurs d'onde que pour les applications satellites, comprenant :
    - un support (10) en forme de T comportant une branche principale (11) et deux branches secondaires (12) perpendiculaires à la branche principale,
    - une piste (20) en matériau conducteur d'électricité, tel que du cuivre, montée sur le support (10) et définissant un aérien comportant une section principale (21) et deux sections secondaires (22) ayant également ensemble une forme de T,
    caractérisée en ce que la section principale (21) de la piste conductrice (20) mesure sensiblement λ/3 tandis que chacune des sections secondaires (22) de la piste mesure λ/8, λ étant la longueur d'onde de la fréquence moyenne du signal pour lequel l'antenne est adaptée.
  2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque branche secondaire (12) du support se prolonge par un coude (13) à 90° dirigé vers l'extrémité libre (11a) de la branche principale (11) de sorte que chaque section secondaire (22) de la piste conductrice (20) se prolongent également par un coude (23) dirigé vers l'extrémité libre (21a) de la section principale (21).
  3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la piste conductrice (20) comprend, en partant de l'extrémité libre de la section principale,
    - un premier brin droit (31),
    - une premier serpentin (32),
    - un second brin droit (33), et
    - un second serpentin (34).
  4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que le premier serpentin (32) est disposé sensiblement au centre de la section principale (21) et le second serpentin (34) est disposé juste à proximité immédiate de la jonction (25) de la section principale (21) avec les sections secondaires (22).
  5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que chaque section secondaire (22) comporte, en partant de la jonction (25) avec la section principale (21) :
    - un brin droit (35) qui se termine sensiblement au niveau de la jonction avec le coude (23),
    - un serpentin (36) qui se termine à l'extrémité libre (23a) du coude (23).
  6. Antenne selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que chaque serpentin (32, 34, 36) comporte plusieurs méandres.
  7. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que le premier serpentin (32) de la section principale (21) comporte six méandres, le second serpentin (34) de la section principale (21) comporte trois méandres et chaque serpentin (36) de chaque coude (23) comporte cinq méandres.
EP09305160A 2008-02-21 2009-02-19 Antenne pour véhicule automobile, en particulier pour la réception de signaux radio terrestres et/ou satellites Withdrawn EP2096708A1 (fr)

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