EP0888648B1 - Antenne helicoidale a moyens de duplexage integres, et procedes de fabrication correspondants - Google Patents

Antenne helicoidale a moyens de duplexage integres, et procedes de fabrication correspondants Download PDF

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EP0888648B1
EP0888648B1 EP97914395A EP97914395A EP0888648B1 EP 0888648 B1 EP0888648 B1 EP 0888648B1 EP 97914395 A EP97914395 A EP 97914395A EP 97914395 A EP97914395 A EP 97914395A EP 0888648 B1 EP0888648 B1 EP 0888648B1
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EP
European Patent Office
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antenna
feed
strands
elements
replaced
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EP97914395A
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EP0888648A1 (fr
Inventor
Jean-Pierre Blot
Ala Sharaiha
Jean-Marc Toureilles
Claude Terret
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Orange SA
Original Assignee
France Telecom SA
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Filing date
Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP0888648B1 publication Critical patent/EP0888648B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type
    • H01P5/22—Hybrid ring junctions
    • H01P5/227—90° branch line couplers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type
    • H01P5/22—Hybrid ring junctions
    • H01P5/222—180° rat race hybrid rings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q11/00—Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02—Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/08—Helical antennas

Definitions

  • the field of the invention is that of wide bandwidth antennas and hemispherical or quasi-hemispherical radiation pattern. More precisely, the invention relates to resonant helical antennas operating in two bands of neighboring frequencies corresponding to transmission and reception, and in particular the decoupling of these two channels, and therefore the duplexer function.
  • the antenna of the invention finds applications in particular in the context of mobile satellite communications between fixed users and all types of mobiles, for example aeronautical, maritime or terrestrial.
  • mobile satellite communications between fixed users and all types of mobiles, for example aeronautical, maritime or terrestrial.
  • systems in this area communication systems are implemented, or are currently being development (e.g. INMARSAT, INMARSAT-M systems, Globalstar ).
  • These antennas are also of interest in the deployment personal communication systems (PCS) by geostationary satellites.
  • PCS personal communication systems
  • the invention can find applications in all systems requiring the use of a wide band, a cover diagram hemispherical, circular polarization and a good ellipticity ratio.
  • the antennas must indeed have the above characteristics either in a very wide bandwidth, around 10%, ie in two neighboring sub-bands corresponding respectively to the reception and broadcast.
  • This antenna called the resonant quadrifilar helix antenna (HQR)
  • HQR resonant quadrifilar helix antenna
  • a quadrifilar antenna is formed by four radiating strands.
  • An example of realization is described in detail in the document "Analysis of quadrifilar resonant helical antenna for mobile communications "(analysis of the resonant quadrifilar helix antenna for communications with mobiles), by A. Sharaiha and C. Terret (IEEE - Proceedings H, vol. 140, no.4, August 1993).
  • the radiating strands are printed on a substrate thin dielectric, then wound on a transparent cylindrical support of the radio point of view.
  • the four strands of the propeller are open or short-circuited one end and electrically connected at the other end with segments conductors arranged on the base of the lower part of the support cylinder.
  • the fourth strands of the helix are therefore excited through these conductive segments.
  • This antenna conventionally requires a supply circuit, which ensures the excitation of the different antenna strands by signals of the same amplitude in phase quadrature.
  • Several techniques are known for making such circuits Power.
  • This technique has the advantage of being relatively simple to carry out and to put in action. On the other hand, it leads to a not insignificant bulk, compared to the size of the antenna (which can for example have a size of the order of ten centimeters). This drawback makes this solution incompatible with many applications, especially when maximum miniaturization is required.
  • each two-wire propeller can be powered by a coaxial balun of the so-called "balun” type folded ".
  • the two two-wire are then excited in phase quadrature using a hybrid coupler.
  • balun / adapter assembly used for this type of antennas (made for example from a coaxial section, the core and sheath form dipole) is complex and bulky.
  • this type of assembly has the disadvantage of forming a kind of band pass filter still too narrow.
  • This technique eliminates hybrid couplers. It presents in however the disadvantage of requiring a delicate adjustment of the length of the strands. Moreover, the antenna is no longer symmetrical, and production will be more complex. Furthermore, this method remains specifically reserved for systems using a band of close operation.
  • duplexer This is the role of the duplexer, usually placed at the power point of the antenna.
  • duplexers Several types are known.
  • the document “RF filters and Diplexers for Cellular Applications” by Gord Neilson and John Mchory (Antem'90) thus present various types of duplexers used in the field of radiocommunication.
  • duplexers act as filters, and can therefore introduce loss of useful signal parts.
  • the invention particularly aims to overcome these various disadvantages of the state of technique.
  • an objective of the invention is to provide an antenna and its power system (thereafter, the term “antenna” includes the antenna itself and its power system) which has two sub-bands which are sufficiently decoupled so as not to require the presence of a conventional additional duplexer.
  • the invention aims to provide an antenna bidirectional ensuring simple and efficient duplexing function, without call to known duplexers.
  • Another objective of the invention is to provide such an antenna, which is of a cost cost of little importance, and easily achievable industrially.
  • the invention aims to provide such an antenna, which can be manufactured in a very small number of successive operations.
  • Another object of the invention is also to provide such an antenna, which does not requires specific and complex adjustments.
  • Yet another objective of the invention is to provide such an antenna (and including its power system), which is compact, compared to to known devices.
  • the invention also aims to provide such an antenna, which provides a excitation equiamplitude of the four strands and a law in exact phase quadrature, and therefore a good quality of circular polarization, in the two sub-bands.
  • a helical antenna with integrated duplexing means comprising two decoupled coaxial propellers, each formed of radiating strands printed on a substrate, each of said helices being associated with a structure independent and miniaturized broadband feed of said radiating strands, said supply structures being printed on said corresponding substrate and comprising at least one hybrid coupler made from semi-localized elements, so as to reduce the dimensions.
  • Realization of antenna strands and supply of printed elements allows the antenna, its power supply and the duplexer to be produced in a single operation, without specific connection means, and in a particularly reduced format.
  • hybrid couplers made from semi-localized elements allows to obtain all the desired qualities, and in particular to reduce the overall size of the assembly, compared to the conventionally used lines.
  • each of said coaxial helices being perfectly decoupled, this structure directly plays the role of duplexer, without any element additional.
  • the feed points of each of the propellers correspond respectively and directly to the transmit signal and the receive signal.
  • said propellers have, when they are laid flat, strands having directions symmetrical with respect to the axis of said antenna, and are wound in opposite winding directions, so that said strands are substantially parallel.
  • This technique allows the printed side of the internal propeller to face inside, and that of the external propeller towards the outside.
  • the excitation points of each of said quadrifilar propellers are offset with respect to each other, in a plane perpendicular to the axis of said propellers. According to an advantageous embodiment, they are offset by 135 °.
  • said propeller is a quadrifilar propeller, formed of four radiating strands supplied by a supply structure comprising three couplers hybrids.
  • said supply structure includes a first 180 ° hybrid coupler combining an input and / or output supplying said antenna with two phase-shifted outputs and / or intermediate inputs of 180 °, and two 90 ° hybrid couplers each associating one of said outputs and / or intermediate inputs of said first hybrid coupler at one end of two said radiating strands.
  • said antenna is mounted on a support having first and second separate parts having different permittivities, said first part carrying said radiating strands and said second part carrying said supply structure.
  • said first part carrying the antenna strands has a permittivity greater than 1.
  • An antenna as described above can be used alone, or in a network antennas.
  • the invention also relates to the manufacture of such antennas, which turns out particularly simplified, compared to known techniques.
  • the invention therefore relates to an antenna with a broadband feed system and integrated duplexer, produced using a simple manufacturing technique and presenting a low cost.
  • the invention can be applied to any type of antenna in propellers.
  • the preferred embodiment described above relates to an antenna with quadrifilar propellers.
  • the antenna therefore has two coaxial propellers ensuring transmission and reception respectively.
  • Each of these propellers is made up of four strands printed on a substrate, on which a structure is jointly printed Power.
  • the antenna functions are implemented, feeder and duplexer. This makes it possible to obtain a very compact antenna, and at cost very low cost.
  • Figure 1 illustrates the printed elements, when developed flat.
  • it includes four radiating antenna strands 11 1 to 11 4 .
  • They are for example made of copper, on a thin dielectric substrate, such as kapton ( ⁇ r ⁇ 3.8).
  • the four strands 11 1 to 11 4 are preferably open at their upper end 15 1 to 15 4 . They can also be short-circuited. However, the system of the invention is particularly suitable for the excitation of antennas with more open strands which, for equal performance, have smaller dimensions than the antennas with short-circuited strands.
  • the other end 16 1 to 16 4 of the strands is connected to the feed lines of the supply circuit.
  • the supply system is produced on the same substrate, as an extension of the antenna. It is made up of three hybrid couplers 12, 13 and 14 designed in elements semi-localized.
  • the first hybrid coupler 12 is connected on the one hand to the input (respectively output depending on use) 17 signal from the antenna, and the other at the two inputs (respectively outputs) 18 and 19 of the two other couplers 13 and 14. It is a 180 ° hybrid coupler.
  • the hybrid couplers 13 and 14 are two identical 90 ° couplers. They are connected on the one hand to the input 18 (respectively 19) and on the other hand to the end of the strands 16 1 and 16 2 (respectively 16 3 and 16 4 ).
  • the four strands are supplied in perfect phase quadrature, on a broadband.
  • the cylindrical support is a transparent support from the radioelectric point of view, that is to say having a permittivity close to 1.
  • FIG. 3 illustrates the elements forming the internal layer of the antenna, shown flat. These elements are quite similar to those described in connection with FIG. 1, except that the antenna strands 51 1 to 51 4 are inclined in the opposite direction, the winding direction 52 being opposite to the winding direction 17 of the first propeller.
  • the dielectric substrate is identical to the first.
  • the system power supply 53 is also in the extension of the antenna strands 511 and 514 and is made of semi-localized elements.
  • the assembly is then wound inwards (arrow 52) on a support radio-transparent, to provide the internal helix of Figure 4.
  • the 90 ° couplers 13 and 14 each consist of 4 wide elements 31 1 and 31 4 , connected 2 to 2 by 4 lines of small width 32 1 to 32 4 .
  • the 190 ° coupler includes 6 wide elements 331 to 336 connected by 6 narrow lines 34 1 to 34 6 .
  • Figures 7A and 7C illustrate the design of a -3 dB 90 ° coupler.
  • FIG. 7A presents a conventional diagram of a -3 dB 90 ° coupler in elements distributed. It includes two sections of line 81, 82 of length ⁇ g / 4 and of impedance characteristic Zc, and two sections of line 83, 84 of length ⁇ g / 4, and of impedance Z c / ⁇ 2.
  • Figures 10 and 11 relate to the radiation patterns measured in right circular polarization (a) and left circular polarization (6), with a dipole operating respectively at 1.98 GHz ( Figure 10) and 2.2 GHz ( Figure 11) frequencies.
  • Figure 12 shows that the decoupling between the two propellers is greater than 20 dB.
  • An antenna according to the invention can be produced in several ways.
  • the propellers can be printed at flat, as illustrated in FIGS. 1 and 3. They are then rolled up on a support for form the antenna (figures 2 and 4).
  • the substrate intended for receive the printed elements can be made directly in its cylindrical shape final.
  • the printing of the strands and the feeding structure is carried out directly on the cylinder.
  • the antenna the invention advantageously lends itself to the production of antenna arrays.

Landscapes

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

Description

Le domaine de l'invention est celui des antennes à large bande passante et à diagramme de rayonnement hémisphérique ou quasi-hémisphérique. Plus précisément, l'invention concerne les antennes hélicoïdales résonnantes fonctionnant dans deux bandes de fréquence voisines correspondant à l'émission et à la réception, et en particulier le découplage de ces deux voies, et donc la fonction de duplexeur.
L'antenne de l'invention trouve notamment des applications dans le cadre des communications mobiles par satellite entre utilisateurs fixes et des mobiles de tout type, par exemple aéronautiques, maritimes ou terrestres. Dans ce domaine, plusieurs systèmes de communication par satellite sont mis en oeuvre, ou sont actuellement en cours de développement (par exemple les systèmes INMARSAT, INMARSAT-M, GLOBALSTAR,...). Ces antennes présentent également un intérêt dans le déploiement des systèmes de communications personnelles (PCS) par satellites géostationnaires.
Pour tous ces systèmes, qui prévoient des liaisons avec des satellites géostationnaires, les incidences très différentes des signaux reçus ou émis imposent aux antennes de posséder un diagramme de rayonnement à couverture hémisphérique. De plus la polarisation doit être circulaire avec un rapport d'ellipticité meilleur que 5 dB dans la bande utile.
Plus généralement, l'invention peut trouver des applications dans tous les systèmes nécessitant l'emploi d'une large bande, un diagramme à couverture hémisphérique, une polarisation circulaire et un bon rapport d'ellipticité.
Dans les domaines d'application cités plus haut, les antennes doivent en effet présenter les caractéristiques précédentes soit dans une bande passante très large, de l'ordre de 10 %, soit dans deux sous-bandes voisines correspondant respectivement à la réception et à l'émission.
On connaít déjà, par le brevet FR-89 14952 au nom du même déposant, un type d'antenne particulièrement adapté à de telles applications.
Cette antenne, appelée antenne hélice quadrifilaire résonnante (HQR), possède des caractéristiques très proches des critères énoncés dans une bande de fréquence limitée en général à 5 % par des problèmes d'adaptation d'impédance. Un fonctionnement sur deux bandes est possible en utilisant des antennes HQR bicouche. Ces antennes sont formées par l'''emboítement" concentriques de deux hélices quadrifilaires résonnantes coaxiales, couplées électromagnétiquement.
Une antenne quadrifilaire est formée de quatre brins rayonnants. Un exemple de réalisation est décrit en détail dans le document "Analysis of quadrifilar resonant helical antenna for mobile communications" (analyse de l'antenne hélice quadrifilaire résonnante pour les communications avec les mobiles), par A. Sharaiha et C. Terret (IEEE - Proceedings H, vol. 140, n° 4, août 1993).
Selon ce mode de réalisation, les brins rayonnants sont imprimés sur un substrat diélectrique de faible épaisseur, puis enroulé sur un support cylindrique transparent du point de vue radioélectrique. Les quatre brins de l'hélice sont ouverts ou court-circuités à une extrémité et connectés électriquement à l'autre extrémité avec des segments conducteurs disposés sur la base de la partie inférieure du cylindre support. Les quatre brins de l'hélice sont donc excités à travers ces segments conducteurs.
Cette antenne nécessite, classiquement, un circuit d'alimentation, qui assure l'excitation des différents brins d'antenne par des signaux de même amplitude en quadrature de phase. Plusieurs techniques sont connues pour réaliser de tels circuits d'alimentation.
Dans le document "Analysis of quadrifilar resonant helical antenna for mobile communications" cité ci-dessus, cette fonction est réalisée à partir de structure de coupleurs (3 dB, -90 °) et d'un anneau hybride. Cet ensemble est implanté sur un circuit imprimé qui est placé à la base de l'antenne.
Cette technique présente l'avantage d'être relativement simple à réaliser et à mettre en oeuvre. En revanche, elle conduit à un encombrement non négligeable, par rapport à la taille de l'antenne (qui peut par exemple présenter une taille de l'ordre d'une dizaine de centimètres). Cet inconvénient rend cette solution incompatible avec de nombreuses applications, notamment lorsqu'une miniaturisation maximum est requise.
Selon une deuxième technique, décrite dans le document "UHF satellite array nulls adjacent signais" par J. L. Wong et H. E. King (Microwaves & RF, mars 1984), chaque hélice bifilaire peut être alimentée par un symétriseur coaxial du type dit "balun replié". Les deux bifilaires sont ensuite excitées en quadrature de phase à l'aide d'un coupleur hybride.
L'avantage de cette méthode est qu'elle ne nécessite l'utilisation que d'un seul élément hybride externe. En revanche, le montage symétriseur/adaptateur utilisé pour ce type d'antennes (réalisé par exemple à partir d'un tronçon de coaxial, dont l'âme et la gaine forment dipôle) est complexe et encombrant.
Par ailleurs, ce type de montage présente l'inconvénient de former une sorte de filtre passe-bande à bande encore trop étroite.
Une troisième technique, plus complexe, est décrite dans le document "resonant quadrifilar helix" (hélice résonnante quadrifilaire) par C.C. Kilgus (Microwave Journal, décembre 1970) La ligne coaxiale d'alimentation est fendue à son extrémité pour constituer un symétriseur. La quadrature de phase est assurée en ajustant la longueur des brins.
Cette technique permet de supprimer les coupleurs hybrides. Elle présente en revanche l'inconvénient de nécessiter un réglage délicat de la longueur des brins. De plus, l'antenne n'est plus symétrique, et la réalisation sera plus complexe. Par ailleurs, cette méthode reste spécifiquement réservée aux systèmes utilisant une bande de fonctionnement étroite.
Dans le cas des antennes bidirectionnelles, devant assurer l'émission et la réception de signaux, il est bien sûr nécessaire de découpler au tant que faire se peut la bande de fréquence d'émission et la bande de fréquence de réception, qui sont généralement voisines.
C'est le rôle du duplexeur, généralement placé au niveau du point d'alimentation de l'antenne. Plusieurs types de duplexeurs sont connus. Le document "RF filters and Diplexers for Cellular Applications", par Gord Neilson et John Mchory (Antem'90) présentent ainsi divers types de duplexeurs utilisés dans le domaine de la radiocommunication.
D'une façon générale, ces dispositifs connus ont l'inconvénient de se présenter sous la forme d'un élément indépendant et complémentaire à l'antenne. Ils entraínent donc un encombrement non négligeable, notamment dans les cas où les antennes sont de taille très réduite.
Par ailleurs, il s'agit d'éléments complexes à réaliser et à mettre en oeuvre. En conséquence, leur coût de revient est important, par rapport au coût de l'antenne proprement dite.
Enfin, ces duplexeurs agissent comme des filtres, et peuvent donc introduire des pertes de parties utiles de signal.
L'invention a notamment pour objectif de pallier ces divers inconvénients de l'état de la technique.
Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir une antenne et son système d'alimentation (par la suite, le terme "antenne" englobe l'antenne proprement dite et son système d'alimentation) qui présente deux sous-bandes qui sont suffisamment découplées pour ne pas nécessiter la présence d'un duplexeur supplémentaire classique.
En d'autres termes, l'invention a pour objectif de fournir une antenne bidirectionnelle assurant de façon simple et efficace la fonction de duplexage, sans faire appel aux duplexeurs connus.
Un autre objectif de l'invention est de fournir une telle antenne, qui soit d'un coût de revient peu important, et aisément réalisable industriellement. En particulier, l'invention à pour objectif de fournir une telle antenne, qui puisse être fabriquée en un nombre très réduit d'opérations successives.
Un autre objectif de l'invention est également de fournir une telle antenne, qui ne nécessite par de réglages spécifiques et complexes.
Encore un autre objectif de l'invention est de fournir une telle antenne (et notamment son système d'alimentation), qui soit d'un encombrement réduit, par rapport aux dispositifs connus.
L'invention a également pour objectif de fournir une telle antenne, qui assure une excitation équiamplitude des quatre brins et une loi en exacte quadrature de phase, et donc une bonne qualité de polarisation circulaire, dans les deux sous-bandes.
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaítront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'une antenne hélicoïdale à moyens de duplexage intégrés, comprenant deux hélices coaxiales découplées, formées chacune de brins rayonnants imprimés sur un substrat, chacune desdites hélices étant associée à une structure indépendante et miniaturisée d'alimentation large bande desdits brins rayonnants, lesdites structures d'alimentation étant imprimées sur ledit substrat correspondant et comprenant au moins un coupleur hybride réalisé à partir d'éléments semi-localisés, de façon à en réduire les dimensions.
La réalisation des brins d'antenne et de l'alimentation en éléments imprimés permet de produire l'antenne, son alimentation et le duplexeur en une seule opération, sans moyens de connexion spécifiques, et sous un format particulièrement réduit.
L'utilisation de coupleurs hybrides réalisés à partir d'éléments semi-localisés permet d'obtenir l'ensemble des qualités désirées, et notamment de réduire l'encombrement de l'ensemble, par rapport aux lignes classiquement utilisées.
Les deux couches formant chacune desdites hélices coaxiales étant parfaitement découplées, cette structure joue directement le rôle de duplexeur, sans aucun élément supplémentaire. Les points d'alimentation de chacune des hélices correspondent respectivement, et directement, au signal d'émission et au signal de réception.
On obtient ainsi une antenne bidirectionnelle très simple, et à faible coût de revient.
De façon avantageuse, lesdites hélices présentent, lorsqu'elles sont mises à plat, des brins présentant des directions symétriques par rapport à l'axe de ladite antenne, et sont enroulées selon des sens d'enroulement opposés, de façon que lesdits brins soient sensiblement parallèles.
Cette technique permet que la face imprimée de l'hélice interne soit dirigée vers l'intérieur, et celle de l'hélice externe vers l'extérieur.
Préférentiellement, dans le but d'augmenter le découplage, les points d'excitation de chacune desdites hélices quadrifilaires sont décalés l'un par rapport à l'autre, dans un plan perpendiculaire à l'axe desdites hélices. Selon un mode de réalisation avantageux, ils sont décalés de 135°.
L'invention peut s'appliquer à tous les types d'antennes en hélices. Selon un mode de réalisation préférentiel, ladite hélice est une hélice quadrifilaire, formée de quatre brins rayonnants alimentés par une structure d'alimentation comprenant trois coupleurs hybrides.
De façon avantageuse, dans ce dernier cas, ladite structure d'alimentation comprend un premier coupleur hybride à 180° associant une entrée et/ou sortie d'alimentation de ladite antenne à deux sorties et/ou entrées intermédiaires déphasées de 180°, et deux coupleurs hybrides à 90° associant chacun l'une desdites sorties et/ou entrées intermédiaires dudit premier coupleur hybride à une des extrémités de deux desdits brins rayonnants.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, ladite antenne est montée sur un support présentant une première et une seconde parties distinctes ayant des permittivités différentes, ladite première partie portant lesdits brins rayonnants et ladite seconde partie portant ladite structure d'alimentation.
Préférentiellement, ladite première partie portant les brins d'antenne présente une permittivité supérieure à 1.
Ainsi, il est possible de réduire encore l'encombrement de l'antenne.
Une antenne telle que décrite ci-dessus peu être utilisée seule, ou en réseau d'antennes.
L'invention concerne également la fabrication de telles antennes, qui s'avère particulièrement simplifiée, par rapport aux techniques connues.
Selon un premier procédé de fabrication d'une antenne hélicoïdale résonnante, on prévoit les étapes suivantes :
  • impression sur un substrat plan d'au moins deux brins rayonnants, destinés à former une hélice, et d'une structure indépendante d'alimentation miniaturisée large bande desdits brins rayonnants comprenant au moins un coupleur hybride réalisé à partir d'éléments semi-localisés, de façon à en réduire les dimensions ;
  • enroulement dudit substrat autour d'un support cylindrique.
Selon un second procédé de fabrication d'une antenne hélicoïdale résonnante, encore plus simple à mettre en oeuvre, on réalise les étapes suivantes :
  • obtention d'un support cylindrique portant un substrat ;
  • impression sur ledit substrat d'au moins deux brins rayonnants, destinés à former une hélice, et d'une structure indépendante d'alimentation miniaturisée large bande desdits brins rayonnants comprenant au moins un coupleur hybride réalisé à partir d'éléments serai-localisés, de façon à en réduire les dimensions.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :
  • la figure 1 illustre un exemple d'hélice quadrifilaire à alimentation intégrée selon l'invention, formant la couche externe de l'antenne, développée à plat;
  • la figure 2 présente l'hélice de la figure 1, enroulée cylindriquement, de façon à former une première hélice opérationnelle ;
  • la figure 3 illustre une seconde hélice quadrifilaire à alimentation intégrée selon l'invention formant la couche interne de l'antenne, développée à plat;
  • la figure 4 présente l'hélice de la figure 3, enroulée cylindriquement, de façon à former une seconde hélice opérationnelle ;
  • la figure 5 présente une vue en coupe de l'antenne montée, comprenant les hélices des figures 2 et 4, montées en décalage ;
  • la figure 6 présente de façon plus détaillée la structure d'alimentation des figures 1 et 3 ;
  • les figures 7A à 7C illustrent la conception d'un coupleur -3 dB 90° selon l'invention :
    • figure 7A : coupleur classique en éléments distribués ;
    • figure 7B : représentation correspondante à l'aide de cellules en π ;
    • figure 7C : coupleur en lignes microrubans correspondant ;
    • les figures 8A et 8B illustrent la conception d'un coupleur -3 dB 180°;
    • figure 8A : représentation d'un anneau hybride 180° ;
    • figure 8B : coupleur en lignes microrubans correspondant.
  • la figure 9 illustre le rapport d'onde stationnaire (ROS) d'un mode de réalisation particulier de l'antenne des figures 1 et 2 ;
  • les figures 10 et 11 présentent des diagrammes de rayonnement mesurés en polarisation circulaire droite et gauche du même mode de réalisation, respectivement aux fréquences 1,98 GHz et 2,2 GHz ;
  • la figure 12 montre le découplage (S21) entre les deux hélices.
L'invention concerne donc une antenne à système d'alimentation à large bande et duplexeur intégrés, réalisée selon une technique de fabrication simple et présentant un faible coût de revient.
Comme indiqué précédemment, l'invention peut s'appliquer à tout type d'antenne en hélices. Le mode de réalisation préférentiel décrit ci-dessus concerne une antenne à hélices quadrifilaires.
Selon l'invention, l'antenne présente donc deux hélices coaxiales assurant respectivement l'émission et la réception. Chacune de ces hélices est formée de quatre brins imprimés sur un substrat, sur lequel est conjointement imprimé une structure d'alimentation.
Ainsi, en une seule opération sont implantée les fonctions d'antenne, d'alimentation et de duplexeur. Cela permet d'obtenir une antenne très compacte, et à coût de revient très faible.
On décrit maintenant en détail la première hélice formant la couche.
La figure 1 illustre les éléments imprimés, lorsqu'elle est développée à plat.
Elle comprend tout d'abord quatre brins d'antenne rayonnants 111 à 114.
Un mode de détermination des caractéristiques de ces brins est par exemple donné dans le brevet FR-89 14952 déjà cité.
Les dimensions de l'antenne varient en fonction de la bande de fréquence et des couvertures exigées. A titre d'exemple, les dimensions de ces brins peuvent être les suivantes :
  • longueur : 90 mm ;
  • largeur : 2 mm ;
  • épaisseur : 35 µm ;
  • angle d'inclinaison : 54,5°.
Ils sont par exemple réalisés en cuivre, sur un substrat diélectrique de faible épaisseur, tel que du kapton (εr ≈ 3,8).
Les quatre brins 111 à 114 sont préférentiellement ouverts à leur extrémité supérieure 151 à 154. Ils peuvent également être court-circuités. Toutefois, le système de l'invention convient particulièrement à l'excitation d'antennes à brins plus ouverts qui, à performances égales, possèdent des dimensions plus réduites que les antennes à brins court-circuités.
L'autre extrémité 161 à 164 des brins est connectée aux lignes d'attaque du circuit d'alimentation.
Le système d'alimentation est réalisé sur le même substrat, dans le prolongement de l'antenne. Il est formé de trois coupleurs hybrides 12, 13 et 14 conçus en éléments semi-localisés.
Le premier coupleur hybride 12 est relié d'une part à l'entrée (respectivement sortie selon l'utilisation) 17 de signal de l'antenne, et d'autre aux deux entrées (respectivement sorties) 18 et 19 des deux autres coupleurs 13 et 14. Il s'agit d'un coupleur hybride 180°.
Les coupleurs hybrides 13 et 14 sont deux coupleurs identiques 90 °. Ils sont reliés d'une part à l'entrée 18 (respectivement 19) et d'autre part à l'extrémité des brins 161 et 162 (respectivement 163 et 164).
Ainsi, les quatre brins sont alimentés en parfaite quadrature de phase, sur une large bande.
L'ensemble ainsi obtenu est ensuite enroulé sur un support cylindrique dans le sens trigonométrique, vers l'extérieur (les éléments imprimés étant à l'extérieur du cylindre), pour obtenir l'hélice externe, représentée en vue de face en figure 2.
Le support cylindrique est un support transparent du point de vue radioélectrique, c'est-à-dire présentant une permittivité voisine de 1.
Il est à noter qu'il est aisé de réduire encore la hauteur de l'ensemble, en utilisant un support de permittivité supérieure à 1, pour la partie correspondant aux brins d'antenne.
La figure 3 illustre les éléments formant la couche interne de l'antenne, représentés à plat. Ces éléments sont tout à fait similaires à ceux décrits en relation avec la figure 1, si ce n'est que les brins d'antennes 511 à 514, sont inclinés dans le sens opposé, le sens d'enroulement 52 étant opposé au sens d'enroulement 17 de la première hélice.
Le substrat diélectrique est dans cet exemple identique au premier. Le système d'alimentation 53 se trouve également dans le prolongement des brins d'antennes 511 et 514 et est réalisé en éléments semi-localisés.
L'ensemble est ensuite, enroulé vers l'intérieur (flèche 52) sur un support transparent du point de vue radioélectrique, pour fournir l'hélice interne de la figure 4.
Les deux couches ainsi obtenues sont finalement montées concentriquement l'une dans l'autre, ainsi que cela est illustré par la vue en coupe de la figure 5.
La couche externe (formée des conducteurs externes 61) et la couche externe (formée des conducteurs internes 62) sont décalés d'un angle α = 135° par rapport à leurs points d'excitation.
La figure 6 illustre de façon plus précise la structure d'alimentation en éléments serai-localisés selon l'invention, grossie sensiblement d'un facteur 3 par rapport à la réalité. Elle comprend deux types de lignes imprimées :
  • des lignes de faible largeur, présentant une caractéristique inductive ;
  • des lignes plus larges, présentant une caractéristique capacitive.
Ainsi, les coupleurs 90 ° 13 et 14 sont constitués chacun de 4 éléments larges 311 et 314, reliés 2 à 2 par 4 lignes de faible largeur 321 à 324. Le coupleur 190 ° comprend 6 éléments larges 331 à 336 reliés par 6 lignes de faible largeur 341 à 346.
Les figures 7A et 7C illustrent la conception d'un coupleur -3 dB 90°.
De plus amples informations pourront être trouvées, si nécessaire, dans la thèse de M. Coupez, Université de Bretagne Occidentale, "Etude de structures de déphaseurs potentiellement intégrables à 900 MHz", mai 1988.
La figure 7A présente un schéma classique d'un coupleur -3 dB 90° en éléments distribués. Il comprend deux tronçons de ligne 81, 82 de longueur λg/4 et d'impédance caractéristique Zc, et deux tronçons de ligne 83, 84 de longueur λg/4, et d'impédance Zc/√2.
On peut remplacer chacun de ces tronçons de ligne par des cellules en π d'éléments localisés, formées de capacités C et d'inductances L et L', tel que cela est illustré en figure 7B.
En utilisant les propriétés inductive (lignes de faible largeur 85) et capacitive (lignes plus large 86) des lignes microrubans, on peut alors transformer à nouveau le coupleur en éléments distribués, ainsi qu'illustré en figure 7C.
On procède de même pour transformer la structure classique d'un anneau hybride -3 dB, 180 illustrée en figure 8A, en un coupleur en éléments semi-localisés, illustré en figure 8B.
Une telle hélice présente notamment les avantages suivants :
  • elle est à brins ouverts, donc l'impédance de chaque brin est aisément adaptable à 50 Ω pour une antenne ayant les propriétés souhaitées (couverture hémisphérique et polarisation inverse faible) ;
  • la structure d'alimentation utilisant des hybrides est large bande, et parfaitement équilibrée :
    • en amplitude (identique pour chaque brin) ; et
    • en phase (0° ; ± 90° ; ± 180° ; ± 270°) ;
  • les dimensions du dispositif d'alimentation sont plus faibles que celles des systèmes connus (un gain de l'ordre de 50 % peut être obtenu). En effet, on constate aisément que chaque élément semi-localisé est de taille très inférieure à la ligne qu'il remplace (qui est généralement d'une taille multiple de λ/4) ;
  • l'antenne présente une forte isolation brin à brin.
A titre indicatif, on présente maintenant les résultats de mesure obtenus à partir d'un mode de réalisation particulier, destiné aux communications avec les matériels et aux communications de proximité.
Les dimensions de l'ensemble formé par l'antenne et l'alimentation intégrée sont les suivantes :
  • diamètre :   26 mm ;
  • hauteur :   130 mm;
  • poids total :   70 g.
Les caractéristiques radio-électriques relevées sont :
  • émission :   2.17 - 2.2 GHz
  • réception :   1.98 - 2.01 GHz
  • polarisation : circulaire droite
  • couverture : 180°
  • ellipticité :   < 5 dB pour  < 90°
       < 2 dB pour  < 75°
  • défaut d'omnidirectionnalité : ± 0,6 dB à l'horizon.
Sur la figure 9 on présente le rapport d'onde stationnaire (ROS) à l'entrée de chaque antenne, en fonction de la fréquence de chacune des hélices. On constate que l'on obtient un ROS inférieur à 2 pour chaque antenne, dans une bande de 400 MHz.
Les figures 10 et 11 sont relatives aux diagrammes de rayonnement mesurés en polarisation circulaire droite (a) et en polarisation circulaire gauche (6), avec un dipôle tournant respectivement aux fréquences 1,98 GHz (figure 10) et 2,2 GHz (figure 11).
On peut observer que l'on obtient :
  • une ouverture moyenne à -3 dB quasi-hémisphérique supérieure à 180° ;
  • une réjection de la polarisation inverse supérieure à -15 dB dans toute la couverture.
La figure 12 montre que le découplage entre les deux hélices est supérieur à 20 dB.
Une antenne selon l'invention peut être réalisée de plusieurs façons.
Ainsi, selon un premier mode de réalisation, les hélices peuvent être imprimées à plat, tel qu'illustré en figure 1 et 3. Elles sont ensuite enroulées sur un support pour former l'antenne (figure 2 et 4).
Selon un autre mode de réalisation, encore plus rapide, le substrat destiné à recevoir les éléments imprimés peut être réalisé directement dans sa forme cylindrique définitive. Dans ce cas, l'impression des brins et de la structure d'alimentation est effectué directement sur le cylindre.
Par ailleurs, il est à noter que, bien qu'elle soit utilisable à l'unité, l'antenne de l'invention se prête avantageusement à la réalisation de réseaux d'antennes.

Claims (10)

  1. Antenne hélicoïdale fonctionnant dans deux bandes de fréquence voisines correspondant respectivement à l'émission et à la réception, du type présentant deux hélices coaxiales, formées chacune de brins rayonnants (111 à 114 ; 511 à 514) imprimés sur un substrat,
    caractérisé en ce que chacune desdites hélices est associée à une structure indépendante d'alimentation et de duplexage, également imprimée sur ledit substrat et comprenant au moins un coupleur hybride (12, 13, 14) réalisé à partir d'éléments semi-localisés, obtenus de la façon suivante :
    conception d'un coupleur en éléments distribués, chaque tronçon ayant une longueur au moins égale à λg/4, λg étant la longueur d'onde maximale de fonctionnement de ladite antenne ;
    détermination d'une structure correspondante en éléments localisés, chacun desdits tronçons étant remplacé par une cellule en π formée d'une capacité C et de deux inductances L et L' ;
    détermination d'une structure en éléments serai-localisés, dans laquelle chacune desdites capacités C et remplacée par une ligne large (86) et chacune desdites inductances L et L' par une ligne de plus faible largeur (85),
    de façon que ladite structure d'alimentation et de duplexage présente un encombrement inférieur à λg/4, un découplage suffisant des voies d'émission et de réception et une large bande.
  2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites hélices présentent, lorsqu'elles sont mises à plat, des brins (111 à114 ; 511 à 514) présentant des directions symétriques par rapport à l'axe de ladite antenne, et sont enroulées selon des sens d'enroulement opposés, de façon que lesdits brins soient sensiblement parallèles.
  3. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les points d'excitation (61, 62) de chacune desdites hélices quadrifilaires sont décalés l'un par rapport à l'autre, dans un plan perpendiculaire à l'axe desdites hélices.
  4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits points d'excitation (61, 62) sont décalés de 135°.
  5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdites hélices sont des hélices quadrifilaires, formées chacune de quatre brins (111 à 114 ; 511 à 514) rayonnants alimentés par une structure d'alimentation comprenant trois coupleurs hybrides.
  6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que chacune desdites structures d'alimentation comprend un premier coupleur hybride à 180° (12) associant une entrée et/ou sortie d'alimentation de ladite antenne à deux sorties et/ou entrées intermédiaires déphasées de 180°, et deux coupleurs hybrides à 90° (13, 14) associant chacun l'une desdites sorties et/ou entrées intermédiaires dudit premier coupleur hybride à une des extrémités de deux desdits brins rayonnants.
  7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'au moins une desdites hélices est montée sur un support présentant une première et une seconde parties distinctes ayant des permittivités différentes, ladite première partie portant lesdits brins rayonnants (111 à 114 ; 511 à 514) et ladite seconde partie portant ladite structure d'alimentation.
  8. Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite première partie portant lesdits brins rayonnants (111 à 114 ; 511 à 514) présente une permittivité supérieure à la permittivité de ladite seconde partie.
  9. Procédé de fabrication d'une antenne hélicoïdale à moyens de duplexage et d'alimentation miniaturisés intégrés comprenant deux hélices coaxiales découplées, caractérisé en ce qu'il comprend, pour chacune desdites hélices, les étapes suivantes :
    impression sur un substrat plan d'au moins deux brins rayonnants (111 à 114 ; 511 à 514), destinés à former une hélice, et d'une structure indépendante d'alimentation miniaturisée large bande desdits brins rayonnants comprenant au moins un coupleur hybride (12, 13, 14) réalisé à partir d'éléments semi-localisés, obtenus de la façon suivante :
    conception d'un coupleur en éléments distribués, chaque tronçon ayant une longueur au moins égale à λg/4, λg étant la longueur d'onde maximale de fonctionnement de ladite antenne ;
    détermination d'une structure correspondante en éléments localisés, chacun desdits tronçons étant remplacé par une cellule en π formée d'une capacité C et de deux inductances L et L' ;
    détermination d'une structure en éléments semi-localisés, dans laquelle chacune desdites capacités C et remplacée par une ligne large (86) et chacune desdites inductances L et L' par une ligne de plus faible largeur (85),
    de façon que ladite structure d'alimentation et de duplexage présente un encombrement inférieur à λg/4, un découplage suffisant des voies d'émission et de réception et une large bande.
    enroulement dudit substrat autour d'un support cylindrique.
  10. Procédé de fabrication d'une antenne hélicoïdale à moyens de duplexage et d'alimentation miniaturisés intégrés comprenant deux hélices coaxiales découplées, caractérisé en ce qu'il comprend, pour chacune desdites hélices, les étapes suivantes :
    obtention d'un support cylindrique portant un substrat ;
    impression sur ledit substrat d'au moins deux brins rayonnants (111 à 114 ; 511 à 514), destinés à former une hélice, et d'une structure indépendante d'alimentation miniaturisée large bande desdits brins rayonnants comprenant au moins un coupleur hybride (12, 13, 14) réalisé à partir d'éléments semi-localisés, obtenus de la façon suivante :
    conception d'un coupleur en éléments distribués, chaque tronçon ayant une longueur au moins égale à λg/4, λg étant la longueur d'onde maximale de fonctionnement de ladite antenne ;
    détermination d'une structure correspondante en éléments localisés, chacun desdits tronçons étant remplacé par une cellule en π formée d'une capacité C et de deux inductances L et L' ;
    détermination d'une structure en éléments semi-localisés, dans laquelle chacune desdites capacités C et remplacée par une ligne large (86) et chacune desdites inductances L et L' par une ligne de plus faible largeur (85),
    de façon que ladite structure d'alimentation et de duplexage présente un encombrement inférieur à λg/4, un découplage suffisant des voies d'émission et de réception et une large bande.
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