WO2004001900A1 - Antenne a brins a polarisation circulaire - Google Patents

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Patrick Dumon
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Centre National dEtudes Spatiales CNES
Societe d'Applications Technologiques de l'Imagerie Micro Onde SATIMO SA
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Definitions

  • the invention relates to antennas with circular polarization, and more precisely antennas having a radiation pattern of revolution around an axis and having a maximum of radiation in the plane perpendicular to the direction of this axis.
  • the invention relates more specifically to antennas in patch technology.
  • the plated or printed antennas include all of the aerials produced using a technology consisting in placing a thin metallic conductor above a ground plane.
  • This metallic conducting wire constitutes the radiating element of the antenna and is of reduced dimensions and can be of arbitrary shape. In practice, it is often of simple geometry such as a square, a rectangle, a disc or a ring.
  • This type of antenna has the advantages of microstrip lines: low mass and reduced bulk, planar structures that can be shaped, possibility of mass production, thus allowing low-cost production.
  • the object of the invention is to improve the existing antennas and to propose an antenna which is simple to produce, and of reduced size, while providing a natural circular polarization which is particularly sharp.
  • an antenna made of plated technology including a series of strands located substantially in the same main plane, each of the strands being fed by the same conductive wire, characterized in that each of these strands describes an initial segment which is radial with respect to a geometric axis perpendicular to the main plane, then each of the strands is extended according to a arc of a circle centered on this geometric axis, then again describes a substantially radial segment, directed in the direction of the geometric axis, thus skirting a radial segment of the neighboring strand without touching it.
  • the antenna consists of three main elements, namely a rigid and rectilinear supply wire 100, a set 200 of four radiating strands, and a ground plane 300.
  • the four strands, referenced 210, 220, 230 and 240 are located in a plane perpendicular to the axis of the wire 100, and the ground plane 300 is placed parallel to the main plane of the strands.
  • the general shape delimited by the strands as well as the ground plane 300 are both geometrically centered on the supply wire 100.
  • the wire 100 therefore defines here a main axis of symmetry X of the antenna.
  • Each strand 210, 220, 230, 240 is electrically connected to the wire 100. From the supply wire 100 of each strand has a shape similar to that of the strand 210, which will now be described.
  • the strand 210 first describes an initial segment 210 which is here strictly radial and which ends at a distance from the axis X by a bend 213, bend 213 which then initiates the part in an arc of a circle 214 of the strand considered 100.
  • This part or segment in an arc 214 describes here an angle of 90 ° around the axis, to end again by a bend 215 at a right angle. This second bend 215 then initiates a terminal segment 216 of the strand considered directed towards the axis of symmetry X, stopping near the axis 100 without touching it.
  • Each of the strands has the same configuration, the part in an arc turning around the axis 100 in the same direction (trigonometric or inverse trigonometric) for each strand.
  • Each strand here rotates counterclockwise relative to the X axis.
  • the set of strands defines by its outline a circular shape separated into four arcs of 90 °.
  • Each of the strands describes, by its two rectilinear segments and its segment in an arc, the outline of a quarter constituting a quarter of a disc.
  • each radial segment which is connected to the central wire is bordered by a radial segment, which itself is not connected to the wire supply 100.
  • each of these strands further describes two substantially radial segments, situated at 90 ° from one another, and each skirting a neighboring segment belonging to a neighboring strand.
  • all of the strands 210, 220, 230 and 240 form four pairs of parallel and radial segments, each segment considered to be a pair belonging to a different strand. These pairs of parallel segments are present every 90 degrees around the axis of symmetry of the antenna.
  • the supply wire 100 is here a straight wire stopping at the center of the strands, and not extending beyond the plane of the latter.
  • This supply wire 100 is formed by the central conductor of a coaxial cable.
  • the outer frame 150 of this coaxial cable stops, however, well before the internal conductor of the coaxial cable.
  • the coaxial external frame 150 is in electrical connection with the ground plane 300, which forms a conductive disc of the same diameter as the circle of the strands and parallel to the latter.
  • This solid disc 300 is located at a distance from the strands which is of the order of the diameter of the circle that these strands describe.
  • the external reinforcement of the coaxial cable connects it to a potential different from that supplying the strands.
  • the two conductors 100 and 150 of the coaxial cable are connected to the terminals of an electrical source, not shown here, which lies beyond the ground plane 300, opposite the strands.
  • the ground plane 300 is therefore between this source and the plane of the strands.
  • the power source not shown can be produced for example using a circuit in printed planar technology, a power supply according to this technology can alternatively be placed anywhere in the antenna, for example in the plane of the strands or on the ground plane 300.
  • the mechanical axis constituted by the supply wire 100 is also the axis of symmetry of the radiation diagram.
  • a maximum of radiation is emitted on the horizon, that is to say axially around the wire 100 and in the direction of the plane of the strands, while a minimum of radiation is present in the direction defined by the axis of symmetry.
  • the antenna Over a relatively wide relative frequency band (> 10%), the antenna generates a natural circular polarization. Indeed, on this frequency band, the central part of the antenna, and in particular the vertical feed wire 100 of the antenna, generates a component of the vertically polarized electromagnetic field having a maximum on the horizon.
  • the peripheral part in the form of a circle of the antenna generates a component of the horizontally polarized electromagnetic field also having a maximum on the horizon.
  • the gain obtained with this antenna is typically 2 dB for elevation angles between 0 ° and 60 °.
  • the geometry of the antenna also makes it possible to obtain a phase shift of 90 ° between these two radiated components and the same amplitude for each of them.
  • a circular polarization is therefore obtained with a maximum directed at the horizon.
  • the direction of winding of the strands fixes the main polarization.
  • the reverse trigonometric winding direction as presented here implies a right circular polarization.
  • Each strand has a length of the order of half a wavelength at the working frequency, that is to say of the order of half a wavelength at the preferred frequency for this antenna.
  • additional strands can be superimposed on the initial four strands.
  • These additional strands may or may not be electrically connected to the initial strands and may or may not be of the same size as the initial strands.
  • Operation in multifrequency mode is also possible, either by stacking several sets of strands such as that described here, preferably in parallel and superimposed planes and of different diameters, or by means of a multiplexer connected to a set coplanar strands.
  • the total thickness of the proposed antenna is small compared to the wavelength (typically of the order of 0.04 ⁇ ), which makes it compact.
  • the antenna presented here is very compact because its strands are folded.
  • the outside diameter of the circle composed of the four radiating strands is of the order of 0.25 ⁇ , where ⁇ is the preferred working wavelength for this antenna.
  • Such a small diameter allows a reduced size of the antenna with regard to the wavelength.
  • This antenna can be made of metal.
  • the mass of this antenna can, by the choice of a suitable material, be even lower.
  • the antenna is supplied by a single wire and no additional phase shift circuit is necessary for its operation, which makes it a structure that is simple to produce both electrically and mechanically.
  • This antenna and in particular all of the strands, is easily achievable in plated technology, that is to say for example by producing all the strands in the form of a printed circuit on a substrate film. More generally, the antenna according to the invention and easily produced in series production.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Input Circuits Of Receivers And Coupling Of Receivers And Audio Equipment (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Ropes Or Cables (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)
  • Support Of Aerials (AREA)

Abstract

L'invention concerne une antenne réalisée en technologie plaquée incluant une série de brins (210, 220, 230, 240) situés sensiblement dans un même plan principal, chacun des brins étant alimenté par un même fil conducteur (100), caractérisée en ce que chacun de ces brins (210, 220, 230, 240) décrit un segment initial (312) qui est radial par rapport à un axe géométrique (X) perpendiculaire au plant principal, puis chacun des brins se prolonge selon un arc de cercle (214) centré sur cet axe géométrique (X), puis décrit à nouveau un segment sensiblement radial (216), dirigé en direction de l'axe géométrique (X), longeant ainsi un segment radial (212) du brin voisin sans le toucher.

Description

« 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 NUNSON [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'élément 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 coût.
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 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 décrira 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. 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, l'ensemble des brins 210, 220, 230 et 240 forme quatre couples de segments parallèles 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. 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 génère 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'elles.
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. 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 supplémentaires peuvent être superposés aux quatre brins initiaux. Ces brins supplémentaires peuvent être reliés électriquement ou non aux brins initiaux et peuvent être 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 0.04λ), ce qui la rend compacte. L'antenne présentée ici est très compacte car ses brins sont repliés.
Le diamètre extérieur du cercle composé des quatre brins rayonnants est de l'ordre de 0.25λ, où λ 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, être 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. Plus généralement, l'antenne selon l'invention et facilement réalisée en production de série.
[1] G.A. DESCHAMPS
« Microstrip microwave antennas » .3 rd USAF -Symposium on Antennas -1953
[2] J.Q. HOWELL « Microstrip antennas »
I.E.E.E. Transactions on Antennas and Propagation -Vol. AP-22 -pp. 90-93 -January 1975.
[3] Howell, J.Q., "Microstrip Antennas,"
IEEE AP-S Int. Symp. Digest, 1972, pp. 177-180.
[4] Munson, R.E.,
"Conformai Microstrip Antennas and Microstrip Phased Arrays," IEEE Trans. on Antennas 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 Antennas" 1980
[7] J.R JAMES -P .S. HALL -C. WOOD « Microstrip antenna theory and design ».

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne réalisée en technologie plaquée incluant une série de brins (210, 220, 230, 240) situés sensiblement dans un même plan principal, chacun des brins étant alimenté par un même fil conducteur (100), caractérisée en ce que chacun de ces brins (210, 220, 230, 240) décrit un segment initial (312) qui est radial par rapport à un axe géométrique (X) perpendiculaire au plan principal, puis chacun des brins se prolonge selon un arc de cercle (214) centré sur cet axe géométrique (X), puis décrit à nouveau un segment sensiblement radial (216), dirigé en direction de l'axe géométrique (X), longeant ainsi un segment radial (212) du brin voisin sans le toucher.
2. Antenne selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le fil d'alimentation (100) des brins (210, 220, 230, 240) est constitué par un fil rigide rectiligne (100) confondu avec l'axe géométrique (X).
3. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque brin (210, 220, 230, 240) décrit un arc de cercle (214), selon un même sens de rotation autour de l'axe (X), de sorte que pour chaque brin (210, 220, 230, 240) considéré, le segment radial d'extrémité (216) de ce brin (210, 220, 230, 240) borde un segment radial initial (222) d'un brin voisin.
4. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ensemble des brins (210, 220, 230, 240) décrit un pourtour circulaire de diamètre sensiblement égal à λ/4 où λ est la longueur d'onde de travail privilégiée de l'antenne.
5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'antenne inclut également un plan conducteur parallèle (300) au plan principal géométrique incluant les brins (210, 220, 230, 240), qui forme plan de masse de l'antenne.
6. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le fil d'alimentation (100) est constitué par le conducteur central (100) d'un conducteur coaxial, et en ce que le plan de masse (300) est alimenté par l'armature externe (150) de ce conducteur coaxial.
7. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le conducteur central (100) du câble coaxial présente son extrémité au contact des brins (210, 220, 230, 240), et l'armature externe (150) du câble coaxial présente son extrémité au contact du plan de masse (300).
8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que le plan de masse (300) forme un disque plein de diamètre sensiblement égal au diamètre de la forme décrite par l'ensemble des brins (210, 220, 230, 240).
9. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les brins sont au nombre de quatre, décrivant chacun par leur portion circulaire un arc de cercle (214) décrivant un angle d'environ 90°.
10. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente plusieurs séries de brins (210, 220, 230, 240), chaque série étant formée par des brins coplanaires dans un plan principal particulier, chacune de ces séries de brins (210, 220, 230, 240) décrivant une forme générale de disque, et ces disques étant superposés en recouvrement les uns des autres et de diamètres différents.
11. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que plusieurs séries de brins (210, 220, 230, 240) de diamètre sensiblement égaux ou différents sont superposées, les brins étant contactés entre eux ou non, de sorte qu'un fonctionnement en mode multifréquence est obtenu.
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