EP0512876A1 - Antenne à polarisation circulaire - Google Patents

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EP0512876A1
EP0512876A1 EP92400997A EP92400997A EP0512876A1 EP 0512876 A1 EP0512876 A1 EP 0512876A1 EP 92400997 A EP92400997 A EP 92400997A EP 92400997 A EP92400997 A EP 92400997A EP 0512876 A1 EP0512876 A1 EP 0512876A1
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conductive
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Pablo Luis Garcia Mueller
Anton Willem Jongejans
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/108—Combination of a dipole with a plane reflecting surface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction

Definitions

  • the present invention relates to an antenna producing, in circular polarization, a radiation pattern of revolution around an axis and having a minimum of radiation in the direction of this axis.
  • antennas of this type are produced by means of a configuration of conductors with several strands arranged in a turnstile around the axis of the antenna, each of the strands being excited separately by a line coming from a distributor.
  • Such antennas are for example described by NT Lindenblad in Antennas and Transmissions Lines at the Empire State Building Television Station , in RCA Communications , April 1941, (where four dipoles are excited in phase separately, each by a clean line), by MS Gatti and DJ Nybakken in A Circularly Polarized Crossed Drooping Dipole Antenna , in IEEE Antennas and Propagation Symposium Digest , May 7-11, 1990, Vol. 1, pp.
  • Antennas of this type are for example commonly used on satellites for telemetry and remote control links, as well as on land and sea mobiles, in particular for location or satellite communication systems.
  • One of the aims of the present invention is to provide an antenna of the aforementioned type, that is to say producing in circular polarization a radiation diagram which is of revolution around an axis with a minimum along this axis (for example a diagram of more or less toroidal shape), but with a much simpler structure and a direct excitation system requiring no device for power division, phase shift, or symmetrization.
  • one of the aims of the present invention is to propose such a type of antenna whose direction of the maximum radiation can be adjusted by a simple choice of parameters, thus making it possible to constitute without difficulty from the same structure. a whole family of antennas, adapted to the different applications envisaged.
  • the antenna according to the invention comprises: a reflective conductive surface, essentially of revolution around the axis; a rectilinear conductive strand, extending axially from a first end, situated at the level of this conductive surface and isolated from it, to a second end, this conductive strand being connected at its first end to a supply line ; and a plurality of radiating arms, each comprising a first part extending essentially in a radial plane from the second end of the conductive strand, this first part being, at its proximal end, electrically connected directly to the conductive strand and being, at its distal end, extended by a second part in the form of a curvilinear strand, which is typically inscribed on a sphere centered at said second end and whose general direction is inclined relative to said radial plane.
  • the antenna of the invention has an overall symmetry about an axis 1, which will be the axis of revolution of the radiation diagram, this axis also corresponding to the direction of the minimum of influence of this diagram (in the following, we will consider this axis as "vertical", but it is of course only a pure convention of convenience for descriptive purposes, this characteristic being only purely relative and does not in no way prejudging the absolute spatial orientation of the antenna).
  • This axis is also an axis of symmetry for a conductive surface 2, of generally horizontal orientation, electrically playing the role of “ground plane”, without this terminology being limiting, this surface being able to take several forms.
  • the antenna is connected to an excitation 3, for example a coaxial excitation comprising an armature 4 and a central core 5; the armature 4 is electrically connected to the conductive surface 2, while the core 5, brought to a potential different from that of the surface 2, opens from the latter upwards and is extended into a central rectilinear conductive strand 6, perpendicular to the conductive surface 2 and coinciding with the axis 1.
  • This vertical strand 6 therefore behaves, from the electrical point of view, like a monopole excited at its base 7 by the coaxial 3 and charged by the upper structure.
  • these horizontal strands 9 are each extended by a respective curvilinear strand 10, inclined downward (that is to say forming an angle with the horizontal plane 11 containing the rectilinear strands 9), and consisting of an arc of a circle which extends from one of their ends and which would be inscribed on a sphere centered at the end 8 of the monopole 6.
  • these various elements 6, 9 and 10 are electrically connected in a direct manner, that is to say that no phase-shifter, symmetrizator circuit, etc. is introduced, nor at the level of the connection between the different elements, nor that of the connection of the radiating element 6 with the excitation conductor 3.
  • This greatly simplifies the production, both electrical and mechanical, of this antenna of the invention (the only electrical component possibly necessary is an impedance matching device from the excitation line 3 to the antenna, which would then be placed at the base of the central strand 6, or in the power supply device of the transmitter / receiver).
  • the vertical strand 6 radiates like a monopole in vertical polarization; the horizontal rectilinear strands 9, on the other hand, contribute little to the radiation for reasons of symmetry, and the curvilinear strands 10 radiate a horizontal linear component arriving essentially in quadrature with the vertical component produced by the vertical strand 6, as well as a vertical component , more reduced, serving as an additional component.
  • composition of these different radiations produces the desired circular polarization radiation.
  • the direction of the circular polarization is fixed by the angular direction towards which the curvilinear strands are turned 10. If one wishes to adjust this polarization, or change it direction, the strands 10 can be made mobile relative to the strands 9, so as to vary the direction and the value of the angle of inclination of these curvilinear strands with the horizontal plane 11.
  • An antenna produced according to these teachings applicable to frequencies up to the microwave range (10 to 20 GHz), has a gain of at least 1.5 dB for elevation angles between 10 and 50 ° relative to horizontally, with a good omni-directionality characteristic.
  • the various horizontal strands 9 (which are not intended to contribute to radiation) can be replaced by a continuous conductive metallic surface (for example a metallic plate, a printed plate, a conductive grid, etc.) at the periphery of which will come connect the curvilinear strands 10.
  • a continuous conductive metallic surface for example a metallic plate, a printed plate, a conductive grid, etc.

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Abstract

Une antenne produisant, en polarisation circulaire, un diagramme de rayonnement de révolution autour d'un axe (1 ) et présentant un minimum de rayonnement dans la direction de cet axe, caractérisée en ce qu'elle comprend:
  • une surface conductrice réflectrice (2), essentiellement de révolution autour de l'axe,
  • un brin conducteur rectiligne (6), s'étendant axialement depuis une première extrémité (7), située au niveau de cette surface conductrice et isolée de celle-ci, jusqu'à une seconde extrémité (8), ce brin conducteur étant relié à sa première extrémité à une ligne d'alimentation (4, 5), et
  • une pluralité de bras rayonnants (9, 10), comportant chacun une première partie (9) s'étendant essentiellement dans un plan radial (11) depuis la seconde extrémité du brin conducteur, cette première partie étant, à son extrémité proximale, électriquement reliée de façon directe au brin conducteur et étant, à son extrémité distale, prolongée par une seconde partie (10) en forme de brin curviligne s'inscrivant typiquement sur une sphère centrée à ladite seconde extrémité et dont la direction générale est inclinée par rapport audit plan radial.

Description

  • La présente invention concerne une antenne produisant, en polarisation circulaire, un diagramme de rayonnement de révolution autour d'un axe et présentant un minimum de rayonnement dans la direction de cet axe.
  • Le plus souvent, les antennes de ce type sont réalisées au moyen d'une configuration de conducteurs à plusieurs brins disposés en tourniquet autour de l'axe de l'antenne, chacun des brins étant excité séparément par une ligne issue d'un répartiteur.
  • De telles antennes sont par exemple décrites par N. T. Lindenblad dans Antennas and Transmissions Lines at the Empire State Building Television Station, in RCA Communications, avril 1941, (où quatre dipôles sont excités en phase séparément, chacun par une ligne propre), par M. S. Gatti et D. J. Nybakken dans A Circularly Polarized Crossed Drooping Dipole Antenna, in IEEE Antennas and Propagation Symposium Digest, 7-11 mai 1990, Vol. 1, pp. 254-257, et par C. C. Kilgus dans Shaped-Conical Radiation Pattern Performance of the Backfire Quadrifilar Helix, in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Mai 1975 (où quatre brins sont excités à partir d'un système diviseur de puissance et déphaseur avec des phases respectives de 0, 90, 180 et 270°).
  • Les antennes de ce type sont par exemple utilisées couramment sur les satellites pour les liaisons de télémesure et de télécommande, ainsi que sur des mobiles terrestres et maritimes, notamment pour les systèmes de localisation ou de communication par satellites.
  • On sait également réaliser des antennes du type précité sous forme d'antennes imprimées à fente, mais celles-ci nécessitent un circuit d'adaptation complexe.
  • Les principaux inconvénients de ces diverses antennes connues sont leur complexité, leur relative fragilité et le coût élevé du système d'excitation, qui est typiquement un système à quatre voies impliquant la mise en place de dispositifs assurant des fonctions à la fois de division de puissance, de déphasage et de symétrisation.
  • L'un des buts de la présente invention est de proposer une antenne du type précité, c'est-à-dire produisant en polarisation circulaire un diagramme de rayonnement qui soit de révolution autour d'un axe avec un minimum selon cet axe (par exemple un diagramme de forme plus ou moins toroïdale), mais avec une structure beaucoup plus simple et un système d'excitation directe ne nécessitant aucun dispositif de division de puissance, de déphasage, ni de symétrisation.
  • Subsidiairement, l'un des buts de la présente invention est de proposer un tel type d'antenne dont la direction du maximum de rayonnement puisse être ajustée par un choix simple de paramètres, permettant ainsi de constituer sans difficulté à partir d'une même structure de base toute une famille d'antennes, adaptées aux différentes applications envisagées.
  • A cet effet, l'antenne selon l'invention comprend : une surface conductrice réflectrice, essentiellement de révolution autour de l'axe; un brin conducteur rectiligne, s'étendant axialement depuis une première extrémité, située au niveau de cette surface conductrice et isolée de celle-ci, jusqu'à une seconde extrémité, ce brin conducteur étant relié à sa première extrémité à une ligne d'alimentation ; et une pluralité de bras rayonnants, comportant chacun une première partie s'étendant essentiellement dans un plan radial depuis la seconde extrémité du brin conducteur, cette première partie étant, à son extrémité proximale, électriquement reliée de façon directe au brin conducteur et étant, à son extrémité distale, prolongée par une seconde partie en forme de brin curviligne s'inscrivant typiquement sur une sphère centrée à ladite seconde extrémité et dont la direction générale est inclinée par rapport audit plan radial.
  • On va maintenant décrire un exemple de réalisation de l'invention, en référence à la figure unique annexée qui montre, en perspective, la configuration générale de l'antenne de l'invention.
  • Comme on peut le voir sur la figure, l'antenne de l'invention présente une symétrie globale autour d'un axe 1, qui sera l'axe de révolution du diagramme de rayonnement, cet axe correspondant en outre à la direction du minimum de rayonnement de ce diagramme (dans la suite, on considérera cet axe comme «vertical», mais il ne s'agit bien entendu là que d'une pure convention de commodité à des fins descriptives, cette caractéristique n'étant que purement relative et ne préjugeant en aucune façon l'orientation spatiale absolue de l'antenne).
  • Cet axe est également un axe de symétrie pour une surface conductrice 2, d'orientation générale horizontale, jouant électriquement le rôle de «plan de sol», sans que cette terminologie soit limitative, cette surface pouvant prendre plusieurs formes.
  • En particulier:
    • elle peut être plane ou non plane,
    • elle peut être formée d'une surface continue ou bien d'un simple grillage (avec une valeur de maille de l'ordre de 0,2 λ ou moins),
    • son contour peut être circulaire ou polygonal.
  • Les seules contraintes sont, pour cette surface réflectrice, qu'elle soit électriquement conductrice (pour jouer le rôle de réflecteur) et essentiellement de révolution (pour que le diagramme de rayonnement présente aussi cette caractéristique), un contour polygonal pouvant être assimilé, du point de vue radioélectrique et en première approximation, à un contour circulaire.
  • L'antenne est reliée à une excitation 3, par exemple une excitation coaxiale comportant une armature 4 et une âme centrale 5 ; l'armature 4 est électriquement reliée à la surface conductrice 2, tandis que l'âme 5, portée à un potentiel différent de celui de la surface 2, débouche de cette dernière vers le haut et se prolonge en un brin conducteur rectiligne central 6, perpendiculaire à la surface conductrice 2 et coïncidant avec l'axe 1. Ce brin vertical 6 se comporte donc, du point de vue électrique, comme un monopôle excité à sa base 7 par le coaxial 3 et chargé par la structure supérieure.
  • A son extrémité opposée 8, ce monopôle est relié à N brins horizontaux 9 (par exemple N = 4 ou plus), se déduisant les uns des autres par rotation de 2π/N. A leur extrémité distale, ces brins horizontaux 9 sont prolongés chacun par un brin curviligne respectif 10, incliné vers le bas (c'est-à-dire formant un angle avec le plan horizontal 11 contenant les brins rectilignes 9), et constitué d'un arc de cercle qui s'étend à partir d'une de leurs extrémités et qui s'inscrirait sur une sphère centrée à l'extrémité 8 du monopôle 6.
  • Il est à noter que ces différents éléments 6, 9 et 10 sont électriquement reliés de façon directe, c'est-à-dire que l'on n'introduit aucun circuit déphaseur, symétriseur, etc., ni au niveau de la liaison entre les différents éléments, ni à celui de la liaison de l'élément rayonnant 6 avec le conducteur d'excitation 3. Ceci simplifie grandement la réalisation à la fois électrique et mécanique de cette antenne de l'invention (le seul composant électrique éventuellement nécessaire est un dispositif d'adaptation d'impédance de la ligne d'excitation 3 à l'antenne, que l'on placerait alors à la base du brin central 6, ou dans le dispositif d'alimentation de l'émetteur/récepteur).
  • Le principe de fonctionnement de cette antenne est le suivant.
  • Le brin vertical 6 rayonne comme un monopôle en polarisation verticale ; les brins rectilignes horizontaux 9 contribuent, en revanche, assez peu au rayonnement par raison de symétrie, et les brins curvilignes 10 rayonnent une composante linéaire horizontale arrivant essentiellement en quadrature avec la composante verticale produite par le brin vertical 6, ainsi qu'une composante verticale, plus réduite, servant de composante d'appoint.
  • La composition de ces différents rayonnements produit le rayonnement en polarisation circulaire recherché.
  • Le sens de la polarisation circulaire est fixé par le sens angulaire vers lequel sont tournés les brins curvilignes 10. Si l'on souhaite ajuster cette polarisation, ou la changer de sens, on peut rendre mobiles les brins 10 par rapport aux brins 9, de manière à faire varier le sens et la valeur de l'angle d'inclinaison de ces brins curvilignes avec le plan horizontal 11.
  • En ce qui concerne les dimensions, les principales valeurs typiques sont:
    • longueur du monopôle 6 : λ/2, cette valeur pouvant être éventuellement modifiée pour ajuster la direction (angle de site) du maximum de rayonnement;
    • longueur des brins 9: λ/4;
    • longueur (dimension curviligne) typique des brins 10: 7λ/20;
    • diamètre de la surface conductrice 2 : 1,2 λ, cette valeur pouvant être éventuellement modifiée pour ajuster la direction du maximum de rayonnement;
    • rayon du brin 6: par exemple 0,075 λ;
    • inclinaison des brins 10 par rapport au plan horizontal 11 : par exemple 25°, cette valeur pouvant être éventuellement modifiée pour ajuster les paramètres de polarisation.
  • Une antenne réalisée selon ces enseignements, applicable à des fréquences pouvant aller jusqu'au domaine des hyperfréquences (10 à 20 GHz), présente un gain d'au moins 1,5 dB pour des angles de site compris entre 10 et 50° par rapport à l'horizontale, avec une bonne caractéristique d'omnidirectionnalité.
  • Diverses variantes ou compléments sont bien entendu envisageables.
  • Notamment, les différents brins horizontaux 9 (qui ne sont pas destinés à contribuer au rayonnement) peuvent être remplacés par une surface métallique conductrice continue (par exemple une plaque métallique, une plaque imprimée, une grille conductrice, etc.) en périphérie de laquelle viendront se relier les brins curvilignes 10.

Claims (1)

  1. Une antenne produisant, en polarisation circulaire, un diagramme de rayonnement de révolution autour d'un axe (1) et présentant un minimum de rayonnement dans la direction de cet axe, caractérisée en ce qu'elle comprend:
    - une surface conductrice réflectrice (2), essentiellement de révolution autour de l'axe,
    - un brin conducteur rectiligne (6), s'étendant axialement depuis une première extrémité (7), située au niveau de cette surface conductrice et isolée de celle-ci, jusqu'à une seconde extrémité (8), ce brin conducteur étant relié à sa première extrémité à une ligne d'alimentation (4, 5), et
    - une pluralité de bras rayonnants (9, 10), comportant chacun une première partie (9) s'étendant essentiellement dans un plan radial (11) depuis la seconde extrémité du brin conducteur, cette première partie étant, à son extrémité proximale, électriquement reliée de façon directe au brin conducteur et étant, à son extrémité distale, prolongée par une seconde partie (10) en forme de brin curviligne s'inscrivant typiquement sur une sphère centrée à ladite seconde extrémité et dont la direction générale est inclinée par rapport audit plan radial.
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