EP0014635B1 - Source rayonnante à cavité ouverte excitée par un dipole - Google Patents

Source rayonnante à cavité ouverte excitée par un dipole Download PDF

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EP0014635B1
EP0014635B1 EP80400139A EP80400139A EP0014635B1 EP 0014635 B1 EP0014635 B1 EP 0014635B1 EP 80400139 A EP80400139 A EP 80400139A EP 80400139 A EP80400139 A EP 80400139A EP 0014635 B1 EP0014635 B1 EP 0014635B1
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EP
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radiating
source according
radiating source
cavity
dipole
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EP80400139A
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Albert Dupressoir
Claude Bloch
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Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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Publication date
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    • 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
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/42—Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H01Q13/18—Resonant slot antennas the slot being backed by, or formed in boundary wall of, a resonant cavity ; Open cavity antennas

Definitions

  • the present invention relates to a radiating source with an open cavity excited by a dipole.
  • This source preferably operates in the microwave domain and can be used as a primary source or as a radiating element of a network antenna.
  • Such a source with a cylindrical open cavity is constituted by a radiating dipole, placed inside a cylindrical metal base of circular cross section. Due to the phenomena of excitation of certain modes and of reflection in the cavity, the radiation diagram of such a source, in the site plane, is constituted by concentric isonlevel circles until a gain reduction of 10 dB, at beyond which the circles give way to concentric ellipses. This lack of symmetry of the radiated diagram with respect to the direction of propagation limits the bandwidth of the usable frequencies.
  • the object of the invention is to define a radiating source with an open cylindrical cavity excited by a dipole, having a significant widening of the frequency band usable compared to the sources of the prior art.
  • a source according to the invention, then presents a radiation pattern of increased directivity and for which the symmetry defects are eliminated.
  • the radiating source with a cylindrical cavity open on the side of the emitted radiation, excited by a dipole (2) placed inside the radiating opening of circular cross section and whose strands (4) are deposited according to the direction of a diameter of the opening is such that the opening has at its periphery two projections (10) advancing in the direction of the radiation emitted, and opposite over a diameter of the opening perpendicular to the strands (4) of the dipole (2).
  • the radiating source comprises a cap covering the opening -of the cavity which contributes to increasing the directivity of the radiation diagram.
  • Figure 1 shows a radiating source with open cavity (1) of the prior art, metallic and of cylindrical shape, excited by a dipole (2) produced on a printed circuit (3), the assembly being connected to a system of conventional food (5).
  • FIG. 2 represents a view, from the side of the emitted radiation, of a radiating source (1) according to the invention.
  • the opening of the cavity (1) has at its periphery two projections (10), advancing in the direction of the radiation emitted, and opposite over a diameter of the opening perpendicular to the strands (4) of the dipole (2).
  • the two projections (10) of the cavity (1) are diametrically opposite points, obtained by the intersection with the cylindrical opening of two concurrent oblique surfaces symmetrical with respect to the normal diameter of the strands (4) of the dipole (21).
  • the strands 4 of the radiating dipole 2 are obtained by photoengraving on a dielectric plate 3.
  • a cylindrical strapping 7 of dielectric is placed inside the cylindrical cavity 1. To fix the cavity 1 to its supply circuit, and orient the dipole according to the chosen radiation direction, we have made two slots 8 in the closed part 9 of the cavity, through which two screws 11 pass.
  • the impedance of the cavity is adapted to the impedance of the air, thus allowing almost all of the energy to be radiated outside.
  • FIG. 3 is another embodiment of the invention, comprising a conventional radiating dipole 6, half-wave or whole wave.
  • the widening of the operating band of the radiating source is obtained on the one hand thanks to an improvement in the symmetry of the radiation diagram with respect to the direction of propagation, and on the other hand thanks to an increase in the directivity of this diagram.
  • the symmetry of the radiation pattern of the source is improved by the opening of the cavity, the latter having two diametrically opposite projections, as just described.
  • the increase in directivity is obtained by the addition of a hollow dielectric cap covering the opening of the cavity.
  • Figure 4 shows a tear from a source according to the invention. It is covered by a cap 12, in dielectric, hollow, frustoconical having an acute solid angle according to the direction of propagation of the radiation on emission and fitting onto the projections 10. The thickness of the cap decreases according to the same direction of propagation.
  • the cavity is supplied in its longitudinal axis of symmetry by a coaxial line 13.
  • the adaptation of the cavity 1 to the supply line 13 is carried out by a quarter wave transformer and balun, obtained from a coaxial line quarter wave 14 on the outer conductor of which two metallization spares 16 have been made.
  • the spares 16, symmetrical with respect to the longitudinal axis of the cavity, are included in the normal plane of the median plane comprising the strands 4 of the dipole deposited by photogravure on a dielectric plate 3.
  • the central conductor 17 of the coaxial line is a metal wire sheathed with dielectric 18. To perfect the agreement, a low-impedance ring not shown in the figure can be placed against the external wall of the coaxial line.
  • FIG. 5 is a cutaway from another radiating source 1 according to the invention, of metallized dielectric cylindrical base 19.
  • the metallization 21 of the base 19 is obtained by photoengraving.
  • the assembly of the dielectric cap 12 with the dielectric base 19 is done by an interlocking 20 of the pa, bottom tie of the cap in the base.
  • the strands 4 of the dipole are deposited by photoengraving on the dielectric base 19.
  • This embodiment of sources with metallized dielectric base has the advantage of a lower cost especially for the production in large number of sources.
  • the electromagnetic performance is the same as for metal cavity sources.
  • FIG. 6 shows another type of cavity radiating source with a hollow dielectric cap, composed of coaxial cylindrical sections of decreasing diameter according to the direction of propagation on emission, and of different heights. The thickness of each cylindrical dielectric section also decreases according to the direction of propagation.
  • FIG. 7 shows another embodiment of a radiating source according to the invention, for which the open cavity has two opposite symmetrical slots 110 placed on a diameter perpendicular to the strands 4 of the dipole 2.
  • the cavity 1 can be made of metal or of metallized dielectric, as previously described.
  • a radiating source operating in the C band with a frequency of 5,450 to 5,850 MHz, the following dimensions were obtained; diameter of the cavity between one to three wavelengths X depending on the type of dipole used; base height equal to half wavelength; optimal height of the points equal to ⁇ l5.
  • the width of the slots is X / 2 and the height of ⁇ / 10.
  • its dimensions are obtained by homothety from the previous dimensions.
  • FIG. 8 schematically represents an example of array antenna where the elementary sources are produced according to the invention. They are arranged circularly on a metal support 23. All the dipoles 2 are oriented in the same direction which is that of the polarization of the antenna.
  • a radiating microwave source with an open cavity excited by a dipole the directivity and symmetry qualities of the radiation diagram with respect to the direction of propagation allow a frequency band of sound wider operation than that of radiating sources with open cavity excited by a dipole of the prior art.

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

Description

  • La présente invention concerne une source rayonnante à cavité ouverte excitée par un dipôle. Cette source fonctionne de préférence dans le domaine des hyperfréquences et est utilisable comme source primaire ou comme élément rayonnant d'une antenne-réseau.
  • Parmi les différents types de sources rayonnantes à cavité ouverte de l'art antérieur, on considère plus particulièrement les sources comportant des cavités ouvertes de révolution, et parmi celles-ci des cavités cylindriques. Dans le brevet US-A-3 778 838, est décrit un exemple de réalisation d'une telle source excitée par une fente. Il existe également des sources rayonnantes à cavité ouverte excitée par un dipôle.
  • Une telle source à cavité ouverte cylindrique est constituée par un dipôle rayonnant, placé à l'intérieur d'une embase métallique cylindrique de section droite circulaire. En raison des phénomènes d'excitation de certains modes et de réflexion dans la cavité le diagramme de rayonnement d'une telle source, dans le plan site, est constitué par des cercles isoniveaux concentriques jusqu'à une diminution de gain de 10 dB, au delà de laquelle les cercles font place à des ellipses concentriques. Ce défaut de symétrie du diagramme rayonné par rapport à la direction de propagation limite la largeur de bande des fréquences utilisables.
  • Dans le cas d'une antenne-réseau, l'obtention d'un diagramme de rayonnement identique quelle que soit la direction de propagation nécessite la symétrie de révolution du diagramme de rayonnement de chaque source élémentaire de l'antenne-réseau, autour de son axe.
  • Le but de l'invention est de définir une source rayonnante à cavité cylindrique ouverte excitée par un dipôle, présentant un élargissement notable de la bande des fréquences utilisables par rapport aux sources de l'art antérieur. Une telle source, suivant l'invention, présente alors un diagramme de rayonnement de directivité accrue et pour lequel les défauts de symétrie sont éliminés.
  • Suivant l'invention, la source rayonnante à cavité cylindrique ouverte du côté du rayonnement émis, excitée par un dipôle (2) placé à l'intérieur de l'ouverture rayonnante de section droite circulaire et dont les brins (4) sont déposés selon la direction d'un diamètre de l'ouverture est telle que l'ouverture présente à sa périphérie deux saillies (10) s'avançant dans la direction du rayonnement émis, et opposées sur un diamètre de l'ouverture perpendiculaire aux brins (4) du dipôle (2).
  • Suivant l'invention également, la source rayonnante comprend une coiffe recouvrant l'ouverture -de la cavité qui contribue à accroître la directivité du diagramme de rayonnement.
  • D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description .donnée ci-dessous, portant sur des exemples de réalisation, accompagnée par les figures suivantes représentant :
    • la figure 1, une source rayonnante de l'art antérieur,
    • la figure 2, une source rayonnante suivant l'invention,
    • la figure 3, une autre réalisation d'une source rayonnante suivant l'invention,
    • la figure 4, un arraché d'une source rayonnante équipée d'une coiffe, conformément à l'invention,
    • la figure 5, un arraché d'une autre réalisation d'une source rayonnante conforme à l'invention,
    • la figure 6, une autre réalisation d'une source rayonnante équipée d'une coiffe, suivant l'invention,
    • la figure 7, une autre réalisation d'une source rayonnante suivant l'invention.
    • la figure 8, une antenne-réseau constituée de sources rayonnantes suivant l'invention.
  • On notera que dans la description qui suit tout organe identique dans les figures portera les mêmes repères.
  • La figure 1 montre une source rayonnante à cavité ouverte (1) de l'art antérieur, métallique et de forme cylindrique, excitée par un dipôle (2) réalisé sur un circuit imprimé (3), l'ensemble étant relié à un système d'alimentation classique (5).
  • La figure 2 représente une vue, du côté du rayonnement émis, d'une source rayonnante (1) conforme à l'invention.
  • Elle comporte une cavité (1) métallique cylindrique, ouverte du côté de l'émission du rayonnement. L'ouverture de la cavité (1) présente à sa périphérie deux saillies (10), s'avançant dans la direction du rayonnement émis, et opposées sur un diamètre de l'ouverture perpendiculaire aux brins (4) du dipôle (2). Les deux saillies (10) de la cavité (1) sont des pointes diamétralement opposées, obtenues par l'intersection avec l'ouverture cylindrique de deux surfaces obliques concourantes symétriques par rapport au diamètre normal aux brins (4) du dipôle (21). Les brins 4 du dipôle 2 rayonnant sont obtenus par photogravure sur une plaquette 3 de diélectrique. Pour des raisons de tenue mécanique, un cerclage cylindrique 7 de diélectrique est disposé à l'intérieur de la cavité cylindrique 1. Pour fixer la cavité 1 à son circuit d'alimentation, et orienter le dipôle suivant la direction de rayonnement choisie, on a pratiqué deux fentes 8 dans la partie fermée 9 de la cavité, à travers lesquelles passent deux vis 11.
  • Pour réaliser un couplage quasi total avec le milieu extérieur l'impédance de la cavité est adaptée à l'impédance de l'air, permettant ainsi à la quasi-totalité de l'énergie d'être rayonnée à l'extérieur.
  • La figure 3 est une autre réalisation de l'invention, comportant un dipôle rayonnant classique 6, demi-onde ou onde entière.
  • Comme on l'a vu plus haut, on cherche à obtenir suivant l'invention l'élargissement de la bande de fonctionnement de la source rayonnante. Cet élargissement est obtenu d'une part grâce à une amélioration de la symétrie du diagramme de rayonnement par rapport à la direction de propagation, et d'autre part grâce à un accroissement de la directivité de ce diagramme. La symétrie du diagramme de rayonnement de la source est améliorée par l'ouverture de la cavité, cette dernière présentant deux saillies diamétralement opposées, comme on vient de le décrire. L'accroissement de la directivité est obtenu par l'adjonction d'une coiffe en diélectrique, creuse, recouvrant l'ouverture de la cavité.
  • La figure 4 représente un arraché d'une source conformément à l'invention. Elle est recouverte par une coiffe 12, en diélectrique, creuse, tronconique présentant un angle solide aigu selon le sens de propagation du rayonnement à l'émission et s'emboîtant sur les saillies 10. L'épaisseur de la coiffe décroît selon ce'même sens de propagation. La cavité est alimentée en son axe de symétrie longitudinal par une ligne coaxiale 13. L'adaptation de la cavité 1 à la ligne d'alimentation 13 est réalisée par un transformateur quart d'onde et symétriseur, obtenu à partir d'une ligne coaxiale quart d'onde 14 sur le conducteur extérieur de laquelle ont été pratiquées deux épargnes 16 de métallisation. Les épargnes 16, symétriques par rapport à l'axe longitudinal de la cavité, sont comprises dans le plan normal du plan médian comprenant les brins 4 du dipôle déposé par photogravure sur une plaquette 3 de diélectrique. Le conducteur central 17 de la ligne coaxiale est un fil métallique gainé de diélectrique 18. Pour parfaire l'accord, une bague basse- impédance non représentée sur la figure peut être placée contre la paroi externe de la ligne coaxiale.
  • La figure 5 est un arraché d'une autre source rayonnante 1 selon l'invention, d'embase 19 cylindrique diélectrique métallisée. La métallisation 21 de l'embase 19 est obtenue par photogravure. La partie basse de la coiffe 12, qui se prolonge dans l'embase de la cavité, s'emboîte dans celle-ci. L'assemblage de la coiffe diélectrique 12 avec l'embase diélectrique 19 se fait par un emboîtement 20 de la pa,tie basse de la coiffe dans l'embase. Les brins 4 du dipôle sont déposés par photogravure sur l'embase diélectrique 19. Ce mode de réalisation de sources avec embase diélectrique métallisée présente l'avantage d'un moindre coût surtout pour la réalisation en grand nombre de sources. Les performances électromagnétiques sont les mêmes que pour les sources à cavité métallique.
  • La figure 6 montre un autre type de.réalisation de source rayonnante à cavité avec une coiffe diélectrique 15 creuse, composée de sections cylindriques coaxiales de diamètre décroissant suivant le sens de propagation à l'émission, et de hauteurs différentes. L'épaisseur de chaque section diélectrique cylindrique décroît également selon le sens de propagation.
  • La figure 7 représente une autre réalisation d'une source rayonnante suivant l'invention, pour laquelle la cavité ouverte présente deux créneaux 110 opposés symétriques placés sur un diamètre perpendiculaire aux brins 4 du dipôle 2. La cavité 1 peut être réalisée en métal ou en diélectrique métallisé, comme cela a été décrit auparavant.
  • Pour un exemple de réalisation d'une source rayonnante suivant l'invention, fonctionnant en bande C de fréquence soit de 5 450 à 5 850 MHz, on a obtenu comme dimensions moyennes ; diamètre de la cavité compris entre une à trois longueurs d'onde X suivant le type du dipôle utilisé ; hauteur d'embase égale à la demie longueur d'onde ; hauteur optimale des pointes égale à Àl5. Dans le cas d'une réalisation d'une source avec deux créneaux, fonctionnant dans le même domaine de fréquences que précédemment, la largeur des créneaux est de X/2 et la hauteur de \/10. Pour une source rayonnante fonctionnant à d'autres fréquences, ses dimensions sont obtenues par homothétie à partir des dimensions précédentes.
  • Une application intéressante de ce type de source rayonnante est à noter. Celle-ci peut être avantageusement utilisée dans des antennes- réseaux particulièrement à symétrie de révolution. On obtient un accroissement de la directivité d'une antenne réseau en augmentant notamment celle des sources élémentaires qui la composent. En effet, le diagramme de rayonnement de l'antenne-réseau est obtenu en faisant le produit du diagramme de rayonnement d'une source élémentaire du réseau par la fonction de réseau.
  • La figure 8 représente de façon schématique un exemple d'antenne-réseau où les sources élémentaires sont réalisées suivant l'invention. Elles sont disposées circulairement sur un support métallique 23. Tous les dipôles 2 sont orientés suivant la même direction qui est celle de la polarisation de l'antenne.
  • On a ainsi décrit sous la forme de plusieurs réalisations possibles, une source rayonnante hyperfréquence à cavité ouverte excitée par un dipôle, dont les qualités de directivité et de symétrie du diagramme de rayonnement par rapport à la direction de propagation permettent une bande de fréquence de son fonctionnement plus large que celle des sources rayonnantes à cavité ouverte excitée par un dipôle de l'art antérieur.

Claims (18)

1. Source rayonnante à cavité cylindrique ouverte du- côté du rayonnement émis, excitée par un dipôle (2) placé à l'intérieur de l'ouverture rayonnante de section droite circulaire et dont les brins (4) sont disposés selon la direction d'un diamètre de l'ouverture, caractérisée par le fait que l'ouverture présente à sa périphérie deux saillies (10 ; 110), s'avançant dans la direction du rayonnement émis, et opposées sur un diamètre de l'ouverture perpendiculaire aux brins (4) du dipôle (2).
2. Source rayonnante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux saillies (10) de la cavité (1) sont des pointes diamétralement opposées, obtenues par l'intersection avec l'ouverture cylindrique de deux surfaces obliques concourantes symétriques par rapport au diamètre normal aux brins (4) du dipôle (21).
3. Source rayonnante selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux surfaces concourantes sont des plans formant entre eux un angle dièdre aigu.
4. Source rayonnante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux saillies (110) sont des créneaux diamèfralement opposés.
5. Source rayonnante selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'embase cylindrique de la cavité (1) est métallique.
6. Source rayonnante selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'à l'intérieur de l'embase cylindrique de la cavité (1) est disposé un cerclage Cylindrique (7) en diélectrique.
7. Source rayonnante selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'embase cylindrique de la cavité (1) est en diélectrique métallisé.
8. Source rayonnante selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'ouverture de la cavité (1) est recouverte d'une coiffe diélectrique (12 ou 13).
9. Source rayonnante selon la revendication 8, caractérisée en ce que la coiffe diélectrique (12 ou 23), recouvrant l'ouverture, est creuse.
10. Source rayonnante selon la revendication 9, caractérisée par le fait que la coiffe diélectrique (12) est tronconique présentant un angle solide aigu selon le sens de propagation du rayonnement à l'émission.
11. Source rayonnante selon la revendication 10, caractérisée par le fait que l'épaisseur de la coiffe (12) décroît selon le sens de propagation du rayonnement à l'émission.
12. Source rayonnante selon la revendication 9, caractérisée par le fait que la coiffe diélectrique (23) est composée de sections cylindriques coaxiales de diamètres décroissant suivant le sens de propagation à l'émission.
13. Source rayonnante suivant l'une des revendications 11 ou 12, caractérisée par le fait que l'épaisseur de chaque section cylindrique décroît suivant le sens de propagation à l'émission.
14. Source rayonnante selon les revendications 7 et 8, caractérisée par le fait que la partie basse de la coiffe diélectrique (12) se prolonge dans l'embase de la cavité (1), l'assemblage de la coiffe (12) avec l'embase se faisant par un emboîtement (21).
15. Source rayonnante selon une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le dipôle d'excitation de la cavité est un dipôle quart d'onde (2).
16. Source rayonnante selon une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les brins (4) du dipôle (2) sont déposés par photogravure sur une plaquette diélectrique (3).
17. Source rayonnante selon la revendication 7, caractérisée par le fait que les brins (4) du dipôle (2) sont déposés par photogravure sur l'embase diélectrique.
18. Utilisation d'une source rayonnante selon une des revendications 1 à 17 dans une antenne réseau.
EP80400139A 1979-02-02 1980-01-29 Source rayonnante à cavité ouverte excitée par un dipole Expired EP0014635B1 (fr)

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FR7902767 1979-02-02

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EP0014635A1 EP0014635A1 (fr) 1980-08-20
EP0014635B1 true EP0014635B1 (fr) 1983-03-09

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EP80400139A Expired EP0014635B1 (fr) 1979-02-02 1980-01-29 Source rayonnante à cavité ouverte excitée par un dipole

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