EP1393411B1 - Antenne resonante omnidirectionnelle - Google Patents
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- EP1393411B1 EP1393411B1 EP02747511A EP02747511A EP1393411B1 EP 1393411 B1 EP1393411 B1 EP 1393411B1 EP 02747511 A EP02747511 A EP 02747511A EP 02747511 A EP02747511 A EP 02747511A EP 1393411 B1 EP1393411 B1 EP 1393411B1
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Classifications
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- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
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- H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
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- H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
- H01Q9/42—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength
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- 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
- H01Q9/44—Resonant antennas with a plurality of divergent straight elements, e.g. V-dipole, X-antenna; with a plurality of elements having mutually inclined substantially straight portions
Definitions
- the present invention relates to omnidirectional resonant antennas and more particularly omnidirectional resonant antennas in a half-space or all of the space.
- resonant antennas that is to say, antennas whose dimensions have been determined so that they exhibit a resonance phenomenon for multiples of one frequency. predetermined. These antennas use the resonance phenomenon to increase the energy of the radiation emitted and / or received at the predetermined frequency and thus have a limited bandwidth. These antennas also have the advantage of having a small footprint compared to non-resonant antennas, that is to say antennas that do not have a resonance phenomenon for multiples of a predetermined frequency.
- antennas can be made using a single electrical conductor forming a dipole or a monopole, most often wired type. They are, for example, made using a metal roof printed on a dielectric substrate, the latter antennas being known as “patch antennas”. Another embodiment consists in cutting slots in a ground plane, these antennas being known as “slot antennas”. However, at best, it is known at the present time, to realize omnidirectional resonant antennas in a plane of space, that is to say that the electromagnetic radiation emitted or received is substantially uniform whatever the direction in this plan.
- the present invention therefore aims to fill this gap by creating an omnidirectional resonant antenna in a half-space or in the entire space.
- the invention also relates to a device for receiving and emitting electromagnetic radiation in a half-space or in the entire space, characterized in that it comprises a plurality of omnidirectional resonant antennas according to any one of the preceding claims.
- the figure 1 represents extending along the x-axis of the graph, an electrical conductor 4 forming a monopole.
- an electrical conductor 4 In a classic way, it is a "quarter-wave" electrical conductor, that is to say an electrical conductor whose total length is equal to a quarter of a wavelength, denoted by ⁇ , of a frequency predetermined.
- the predetermined frequency is subsequently called “working frequency”.
- a constructive resonance phenomenon occurs in the electrical conductor 4 when emitting and / or receiving electromagnetic radiation whose wavelength is ⁇ .
- the electrical conductor 4 is here formed of a current conducting band of constant width.
- the electrical conductor 4 has a first end 6 connected to a ground and a second end 8 connected to a wave transmitter / receiver 10 such as a conventional microwave transmitter / receiver.
- a transceiver capable of emitting and / or receiving electromagnetic radiation at a given frequency when it is connected to an electrical conductor is called a transceiver.
- Curve 12 represents the distribution of the surface density of current along the electrical conductor at the working frequency. This curve is determined, for example, using conventional software for electromagnetic radiation simulation of electrical conductors.
- the area between the curve 12 and the electrical conductor 4 is divided into three areas 14, 16 and 18 of equal area and whose interest will appear in the following description.
- a point 20 on the electrical conductor 4 marks the boundary separating the area 14 from the area 16; likewise a point 22 on the electrical conductor 4 marks the boundary separating the area 16 from the area 18.
- the points 20 and 22 thus delimit three strands placed end to end on the electrical conductor 4.
- the areas 14, 16 and 18 are respectively proportional to the level of radiation of the electrical conductor strands 4 between the end 8 and the point 20, between the points 20 and 22 and between the point 22 and the end 6. conceives, therefore, that with the help of figure 1 it is possible to determine the length of a strand of electrical conductor so that it has a predetermined level of radiation.
- the figure 2 represents a first embodiment of an omnidirectional resonant antenna in the space dimensioned from the graph of the figure 1 .
- This comprises an electrical conductor 26 forming a monopole similar to that of the figure 1 .
- the electrical conductor 26 possesses and a current density distribution of current per unit length similar to that of the figure 1 . It consists of three strands 28, 30 and 32 placed end to end and orthogonal two by two between them.
- the strand 28 has a length equal to that of the strand between the end 8 and the point 20 of the figure 1 .
- the strand 30 has a length equal to that strand between the points 20 and 22 of the figure 1 .
- the strand 32 has a length equal to that of the strand between the point 22 and the end 6 of the figure 1 .
- the free end of the strand 28 is connected via an electromagnetic coupling zone 34 to a terminal 36 of a wave transmitter / receiver 37.
- the length of the coupling zone 34 that is to say say the gap between the free end of the strand 28 and the terminal 36 is determined by simulation or experimentally to match the actual impedance of the antenna to the impedance of the wave transmitter / receiver 37. Note that it is also possible to play on the width of each strand of the electrical conductor 26 to adapt the actual impedance of the antenna to the impedance of the wave transmitter / receiver 37 so as to limit the phenomena at the interface of these two devices 26 and 37.
- the free end of the strand 32 is connected perpendicular to a ground plane 38 whose dimensions are smaller than the wavelength ⁇ of the working frequency. Under these conditions, the ground plane 38 does not form a radiation shield of the electrical conductor 26.
- the various parameters of the strands must be adjusted to compensate for the edge effects of the plane. of mass 38.
- the ground plane 38 is a plane whose width and length are several times greater than the wavelength ⁇ of the working frequency of the electrical conductor 26. It is said that the ground plane is infinite. It will be appreciated that an infinite ground plane forms a shield to the electromagnetic radiation of an electrical conductor such as the conductor 26 and therefore the resonant antenna is omnidirectional in a half space. In this case, the lengths of the strands such as the strands 28, 30 and 32 are respectively less than ⁇ 5 , ⁇ 10 and ⁇ 80 , where X is the wavelength of the working frequency.
- the lengths of each of the strands corresponding to the strands 28, 30 and 32 are respectively 53 mm, 30 mm and 3 mm.
- the width of the coupling zone such as zone 34 is 1 mm
- terminal 36 is 4 mm long
- the diameter of the connecting wire with the emitter / receiver is 0.2 mm.
- the figure 3 represents a second embodiment of an omnidirectional resonant antenna in the space according to the invention in which the resonant antenna is formed by an electrical conductor 50 forming a monopole.
- This electrical conductor comprises five strands 52, 54, 56, 58 and 60 placed end to end and arranged to form a first and a second image portions of each other with respect to a plane of symmetry 62.
- the strands 52, 54, and 56 are rectilinear and orthogonal pairwise to each other.
- the first part consists of the strands 52, 54 and a half-strand 64.
- the half-strand 64 represents the upper half of the strand 56.
- the strands 52, 54 and 64 form an electrical conductor similar to the electrical conductor 26 described next to the figure 2 .
- the total length of the electrical conductor formed by the strands 52, 54 and the half-strand 64 is equal to the wavelength of the working frequency divided by four. More precisely, the length of the strand 52 is equal to that of the strand between the end 8 and the point 20 of the figure 1 .
- the length of the strand 54 is equal to that of the strand between the points 20 and 22 of the figure 1 .
- the length of the half-strand 64 is equal to that of the strand between the point 22 and the end 6 of the figure 1 .
- the second part of the electrical conductor 50 consists of the strands 58, 60 and a half-strand 66.
- the half-strand 66 represents the lower half of the strand 56.
- the dimensions of the strands 58, 60 and the half-strand 66 are respectively the same as those of the strands 54, 52 and the half-strand 64.
- the second part of the electrical conductor 50 is intended to make an electrical image of the first part in ways to simulate the existence of a ground plane.
- the second part thus fulfills the functions of a mass plan such as the plane of mass 38 of the figure 2 for the first part, and vice versa. This is why the strand dimensions of the first part are determined in the same way as in the embodiment of the figure 2 .
- the free end of the strand 52 is connected to a first terminal of a wave transmitter / receiver 68 and the free end of the strand 60 is connected to a second terminal of the wave transmitter / receiver 68.
- This first and second terminals are also the image of one another with respect to the plane of symmetry 62 so as not to introduce a phase shift between the signals transmitted / received by the transmitter / receiver of waves 68.
- the figure 4 represents, extending along the x-axis of a graph, an electrical conductor 68 forming a monopole.
- This electrical conductor is here formed by a band of constant current-conducting width, however other forms may be used in other embodiments.
- a first end of this electrical conductor is connected to a wave transmitter / receiver 69. The second end remains free.
- a curve 70 represents the surface density of current along the electrical conductor 68 at the working frequency. This curve is obtained, for example, using conventional simulation software.
- the area between the curve 12 and the electrical conductor 68 is divided into three areas 72, 74 and 76 of equal area.
- a point 78 is placed on the electrical conductor 68 to mark the boundary between the area 72 and the area 74.
- a point 80, on the electrical conductor 68 marks the boundary between the Area 74 and area 76.
- Points 78 and 80 cut the electrical conductor 68 into three strands of respective length L1, L2 and L3.
- the areas of areas 72, 74 and 76 are respectively proportional to the radiation levels of the length of strands L1, L2 and L3.
- the figure 5 represents a resonant antenna sized according to the graph of the figure 4 .
- This antenna comprises an electrical conductor 86 forming a monopole similar to the electrical conductor 68 of the figure 4 .
- the electrical conductor 86 is connected at one end to a terminal 87 of a wave transmitter / receiver 88. A second end of the electrical conductor 68 remains free.
- This electrical conductor 86 consists of three strands 90, 92 and 94 placed end to end. These strands are rectilinear and orthogonal two by two between them. The length of each of these strands is determined in accordance with figure 4 that is, the strand 94 has a length L1, the strand 92 has a length L2 and the strand 90 has a length L3.
- the free end of the strand 94 is connected to the transceiver 88 while being perpendicular to a ground plane 96 whose dimensions are smaller than the wavelength ⁇ of the working frequency.
- the assembly of the antenna formed by the electrical conductor 86 and the ground plane 96 is embedded in a dielectric material 98 to reduce the dimensions of the antenna.
- embedding the electrical conductor of an antenna in a dielectric material or placing it on the surface of a dielectric material makes it possible to reduce the dimensions required for the electrical conductor and therefore the antenna.
- the resonant antenna of the figure 6 comprises an electrical conductor 110 formed of a band of current-conducting material of constant width.
- This electrical conductor consists of three strands 112, 114 and 116 placed end to end and orthogonal two by two between them.
- the antenna also comprises two ground elements 120 and 122. These ground elements 120 and 122 are each formed by a current-conducting strip of constant width.
- the first element 120 comprises three strands 124, 126 and 128 placed end to end.
- the second mass element 122 also has three strands 130, 132 and 134 placed end to end. These two ground elements 120 and 122 are respectively disposed to the right and left of the electrical conductor 110.
- the strands 124 and 130 of the ground elements are parallel and coplanar with the strand 112 of the electrical conductor 110.
- the strands 126 and 132 and the strands 128 and 134 are respectively parallel and coplanar with the strands 114 and 116 of the electrical conductor 110.
- the ends of the strands 128, 116 and 134 opposite the strands 126, 114 and 132 are interconnected by a current-conducting element 136.
- the free end of the strand 112 is connected to a wave transmitter / receiver 138.
- the lengths of the strands 112, 114 and 116 are determined according to the distribution of the current surface density along the electrical conductor 110 in a manner similar to what has been described with regard to Figures 1 and 2 .
- the width of the gaps 140, 142 separating the strands of the ground elements, the strands of the electrical conductor 110, as well as the width of the bands forming the ground elements are determined by simulation or experimentation to adapt the actual impedance of the antenna. that of the wave transmitter / receiver 138.
- Such an antenna is typically made by cutting slots of constant width in a sheet which is then bent at right angles.
- the wave transmitter / receiver 37 When emitting electromagnetic radiation at the working frequency using the antenna of the figure 2 , the wave transmitter / receiver 37 generates electromagnetically coupled in the electromagnetic coupling zone 34 a surface density of current in the electrical conductor 26. The surface density thus created is distributed along the electrical conductor 26 as illustrated on the graph of the figure 1 .
- the length of the strands 28, 30 and 32 is determined so that the areas 14, 16 and 18 have an equal area. Therefore, the radiation levels of each of the strands of the electrical conductor 26 are the same.
- the level of radiation emitted at a point in any space is practically the vector sum of the radiation emitted by each of the strands 28, 30 and 32.
- These strands are orthogonal to one another and the radiation emitted by a strand being parallel to its direction, it is conceivable that the radiation emitted by one strand does not interfere with that of the others.
- orthogonal strands optimize the gain of the antenna by avoiding destructive interference phenomena. It is realized, therefore, that no particular direction of space is privileged by this antenna, since the strands are orthogonal and the level of radiation of each strand is the same. Therefore, the antenna thus produced is practically omnidirectional. It is considered here that the radiation is practically omnidirectional in a predetermined region of space, if the level of radiation emitted / received by the antenna in any two directions of this region of space does not vary by more than 50% .
- ground plane 38 does not constitute a screen with electromagnetic radiation and that consequently the radiation of the preceding antenna is omnidirectional in the whole of the space.
- the radiation levels received along the directions of the strands 28, 30 and 32 are respectively proportional to the areas 14, 16 and 18 and thus determined by the respective lengths of each strand.
- the length each strand was chosen so that areas 14, 16 and 18 are equal. Consequently, the level of radiation received for a given radiation parallel to a strand will be the same whether this radiation is parallel to the strands 28, 30 or 32. Any directional radiation can always be decomposed into three components respectively parallel to the three strands 28, 30 and 32 the overall level of radiation received by the antenna is unchanged regardless of the direction of this radiation. It will be noted that, as the emission, the reception is not limited by the ground plane 38 to a half-space, if the width and length dimensions thereof are less than ⁇ .
- the second portion of the electrical conductor 50 of the antenna formed by the strands 58, 60 and the half-strand 66 performs the functions of a ground plane extending along the plane of symmetry 62 for the first part formed by the strands 52, 54 and the half-strand 64. Therefore the study of the operation of the first part of the antenna is reduced to the study of the operation of an electrical conductor connected perpendicularly to a ground plane se confusing with the plane of symmetry 62. The operation of such a structure has already been described with regard to the figure 2 .
- the first part of the antenna performs the functions of ground plane merging with the plane of symmetry 62 for the second part of the antenna. Therefore, similar to what has just been described above, the operation of the second part of the antenna is reduced to the study of an antenna whose structure is similar to that described with respect to the figure 2 .
- the electrical conductor of the preceding embodiments consists of strands formed with wire elements instead of strands in the form of a strip.
- the diameter of the wire forming each strand is determined to adjust the actual impedance of such an antenna to that of the wave transmitter / receiver.
- the electrical conductor of the preceding examples of embodiment consists of strands of any shape, the distribution of the surface density of the current at the working frequency being known to be calculated.
- a device for receiving and transmitting electromagnetic radiation comprises a plurality of omnidirectional resonant antennas in a half space or in the whole of the space such as those described above each adapted to receive and emit a predetermined wavelength.
- the receiving and transmitting device is both omnidirectional in a half-space or in the whole of the space, and able to receive and transmit at different wavelengths.
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Details Of Aerials (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Waveguide Aerials (AREA)
Description
- La présente invention concerne des antennes résonantes omnidirectionnelles et plus particulièrement des antennes résonantes omnidirectionnelles dans un demi-espace ou l'ensemble de l'espace.
- Il est connu dans l'état de la technique de réaliser des antennes résonantes c'est-à-dire, des antennes dont les dimensions ont été déterminées de façon à ce qu'elles présentent un phénomène de résonance pour des multiples d'une fréquence prédéterminée. Ces antennes utilisent le phénomène de résonance pour accroître l'énergie du rayonnement émis et/ou reçu à la fréquence prédéterminée et présentent ainsi une bande passante limitée. Ces antennes ont également l'avantage de présenter un faible encombrement par rapport aux antennes non résonantes, c'est-à-dire des antennes ne présentant pas un phénomène de résonance pour des multiples d'une fréquence prédéterminée.
- Ces antennes peuvent être réalisées à l'aide d'un seul conducteur électrique formant un dipôle ou un monopôle, le plus souvent de type filaire. Elles sont, par exemple, réalisées à l'aide d'un toit métallique imprimé sur un substrat diélectrique, ces dernières antennes étant connues sous le nom d'"antennes patch". Un autre mode de réalisation consiste à découper des fentes dans un plan de masse, ces antennes étant connues sous le nom d"'antennes à fentes". Toutefois, au mieux, on sait à l'heure actuelle, réaliser des antennes résonantes omnidirectionnelles dans un plan de l'espace, c'est-à-dire que, le rayonnement électromagnétique émis ou reçu est sensiblement uniforme quelle que soit la direction dans ce plan.
- Il existe également dans l'état de la technique des systèmes comprenant trois antennes résonantes orientées chacune suivant une direction de l'espace différente. Ces antennes sont raccordées à l'entrée d'un calculateur de traitement de signaux. Le calculateur est adapté pour traiter les signaux reçus en entrée de manière à restituer en sortie un seul signal similaire à celui d'une antenne résonante omnidirectionnelle dans toutes les directions de l'espace. Le brevet
EP 0590 671 K1 décrit une antenne large bande à conservation de diagramme de rayonnement. - Toutefois ces systèmes sont difficiles à intégrer dans des applications industrielles à cause notamment de la présence du calculateur.
- Il n'existe donc pas actuellement d'antennes résonantes présentant la simplicité des antennes formées avec un seul conducteur électrique tout en étant omnidirectionnelle dans un demi-espace ou l'ensemble de l'espace.
- La présente invention vise donc à combler cette lacune en créant une antenne résonante omnidirectionnelle dans un demi-espace ou dans l'ensemble de l'espace.
- Elle a donc pour objet une antenne résonante omnidirectionnelle comme définit dans la revendication 1.
- Selon d'autres caractéristiques de l'invention, elle peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le conducteur électrique rayonnant comporte deux parties symétriques par rapport à un plan de symétrie pour obtenir un rayonnement du conducteur électrique, omnidirectionnel dans l'ensemble de l'espace ;
- le conducteur électrique rayonnant se compose d'un premier, d'un deuxième, d'un troisième, d'un quatrième et d'un cinquième brins, le quatrième et le cinquième brins étant respectivement les images par symétrie du deuxième et du premier brins par rapport au plan de symétrie médian du troisième brin ;
- un brin à l'extrémité du conducteur électrique rayonnant est positionné perpendiculairement à un plan de masse ;
- les dimensions du plan de masse sont inférieures à la longueur d'onde λ pour obtenir un rayonnement du conducteur électrique omnidirectionnel dans l'ensemble de l'espace ;
- les dimensions du plan de masse sont plusieurs fois supérieures à la longueur d'onde λ pour obtenir un rayonnement du conducteur électrique omnidirectionnel dans un demi-espace ;
- elle comporte des éléments de masse et en ce que les brins du conducteur électrique rayonnant sont respectivement coplanaires à ceux-ci ;
- le conducteur électrique rayonnant comporte une première extrémité raccordée à un émetteur/récepteur d'ondes et une seconde extrémité raccordée au plan de masse ;
- le conducteur électrique rayonnant comporte une première extrémité raccordée à un émetteur/récepteur d'ondes et une seconde extrémité raccordée aux éléments de masse ;
- le conducteur électrique rayonnant est raccordé à l'émetteur/récepteur d'ondes par l'intermédiaire d'une zone de couplage électromagnétique ;
- les dimensions de la zone de couplage électromagnétique déterminent en partie l'impédance réelle de l'antenne ;
- le conducteur électrique rayonnant se compose d'un premier, d'un deuxième et d'un troisième brins ;
- les brins consécutifs du conducteur électrique rayonnant sont orientés suivant deux directions orthogonales entre elles;
- les brins sont chacun formé par une bande dont la largeur est déterminée pour adapter, au moins en partie, l'impédance réelle de l'antenne à l'impédance d'un émetteur/récepteur d'ondes destiné à être raccordé à l'antenne ;
- le conducteur électrique rayonnant se compose de brins filaires ;
- le conducteur électrique rayonnant comporte une première extrémité raccordée à un émetteur / récepteur d'ondes et une seconde extrémité libre ;
- le conducteur électrique rayonnant est associé à un matériau diélectrique réduisant les dimensions de l'antenne ;
- le conducteur électrique rayonnant est noyé dans un matériau diélectrique réduisant les dimensions de l'antenne ; et
- le conducteur électrique rayonnant est positionné à la surface d'un matériau diélectrique réduisant les dimensions de l'antenne.
- L'invention a également pour objet un dispositif de réception et d'émission de rayonnements électromagnétiques dans un demi-espace ou dans l'ensemble de l'espace, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs antennes résonantes omnidirectionnelles selon l'une quelconque des revendications précédentes.
- L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- la
figure 1 représente schématiquement un conducteur électrique raccordé par une première extrémité à un émetteur / récepteur d'ondes et par une seconde extrémité à une masse, ainsi qu'un graphique illustrant la répartition de la densité surfacique de courant le long de ce conducteur. - la
figure 2 représente schématiquement, en perspective, un premier mode de réalisation d'une antenne résonante omnidirectionnelle dans l'espace conforme à l'invention, dimensionnée à partir du graphique de lafigure 1 . - la
figure 3 représente en perspective un second mode de réalisation d'une antenne résonante omnidirectionnelle dans l'espace conforme à l'invention. - la
figure 4 représente un conducteur électrique raccordé par une première extrémité à un émetteur / récepteur d'ondes et dont une seconde extrémité est libre, ainsi qu'un graphique illustrant la répartition de la densité surfacique de courant le long de ce conducteur. - la
figure 5 représente en perspective un troisième mode de réalisation d'une antenne résonante omnidirectionnelle dans l'espace conforme à l'invention, dimensionnée à partir du graphique de lafigure 4 ; et - la
figure 6 représente en perspective un quatrième mode de réalisation d'une antenne résonante omnidirectionnelle dans l'espace selon l'invention. - La
figure 1 représente s'étendant le long de l'axe des abscisses du graphique, un conducteur électrique 4 formant un monopole. De façon classique, il s'agit d'un conducteur électrique « quart d'onde » c'est-à-dire d'un conducteur électrique dont la longueur totale est égale au quart d'une longueur d'onde, notée λ, d'une fréquence prédéterminée. La fréquence prédéterminée est par la suite appelée « fréquence de travail ». Un phénomène de résonance constructive se produit dans le conducteur électrique 4 lorsque l'on émet et/ou reçoit un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est λ. Le conducteur électrique 4 est ici formé d'une bande conductrice de courant de largeur constante. Le conducteur électrique 4 comporte une première extrémité 6 raccordée à une masse et une seconde extrémité 8 raccordée à un émetteur/récepteur d'ondes 10 tel qu'un émetteur/récepteur micro-ondes classique. Dans la suite de la description on appelle émetteur/récepteur d'ondes un émetteur/récepteur capable d'émettre et/ou de recevoir un rayonnement électromagnétique à une fréquence donnée lorsqu'il est raccordé à un conducteur électrique. Une courbe 12 représente la répartition de la densité surfacique de courant le long du conducteur électrique à la fréquence de travail. Cette courbe est déterminée, par exemple, à l'aide de logiciels classiques de simulation de rayonnement électromagnétique de conducteurs électriques. L'aire comprise entre la courbe 12 et le conducteur électrique 4 est divisée en trois aires 14, 16 et 18 de surface égale et dont l'intérêt apparaîtra dans la suite de la description. Un point 20 sur le conducteur électrique 4 marque la limite séparant l'aire 14 de l'aire 16 ; de même un point 22 sur le conducteur électrique 4 marque la limite séparant l'aire 16 de l'aire 18. Les points 20 et 22 délimitent ainsi trois brins mis bout à bout sur le conducteur électrique 4. - Les aires 14, 16 et 18, sont respectivement proportionnelles au niveau de rayonnement des brins de conducteur électrique 4 compris entre l'extrémité 8 et le point 20, entre les points 20 et 22 et entre le point 22 et l'extrémité 6. On conçoit dès lors qu'à l'aide de la
figure 1 il est possible de déterminer la longueur d'un brin de conducteur électrique pour que celui-ci ait un niveau de rayonnement prédéterminé. - La
figure 2 représente un premier mode de réalisation d'une antenne résonante omnidirectionnelle dans l'espace dimensionnée à partir du graphique de lafigure 1 . Celle-ci comporte un conducteur électrique 26 formant un monopôle similaire à celui de lafigure 1 . Le conducteur électrique 26 possède ainsi une répartition de densité surfacique de courant par unité de longueur similaire à celle de lafigure 1 . Il se compose de trois brins 28, 30 et 32 mis bout à bout et orthogonaux deux à deux entre eux. Le brin 28 a une longueur égale à celle du brin compris entre l'extrémité 8 et le point 20 de lafigure 1 . Le brin 30 a une longueur égale à celle brin compris entre les points 20 et 22 de lafigure 1 . Le brin 32 a une longueur égale à celle du brin compris entre le point 22 et l'extrémité 6 de lafigure 1 . L'extrémité libre du brin 28 est reliée par l'intermédiaire d'une zone de couplage électromagnétique 34 à une borne 36 d'un émetteur/récepteur d'ondes 37. La longueur de la zone de couplage 34, c'est-à-dire l'espace entre l'extrémité libre du brin 28 et la borne 36 est déterminée par simulation ou de façon expérimentale pour adapter l'impédance réelle de l'antenne à l'impédance de l'émetteur/récepteur d'ondes 37. On notera qu'il est également possible de jouer sur la largeur de chaque brin du conducteur électrique 26 pour adapter l'impédance réelle de l'antenne à l'impédance de l'émetteur/récepteur d'ondes 37 de façon à limiter les phénomènes de réflexion à l'interface de ces deux dispositifs 26 et 37. L'extrémité libre du brin 32 est raccordée perpendiculairement à un plan de masse 38 dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde λ de la fréquence de travail. Dans ces conditions, le plan de masse 38 ne forme pas un écran au rayonnement du conducteur électrique 26. Par contre les différents paramètres des brins (longueur, largeur, orientation,...) doivent être ajustés pour compenser les effets de bord du plan de masse 38. - En variante, le plan de masse 38 est un plan dont la largeur et la longueur sont plusieurs fois supérieures à la longueur d'onde λ de la fréquence de travail du conducteur électrique 26. On dit alors que le plan de masse est infini. On notera qu'un plan de masse infini forme un écran au rayonnement électromagnétique d'un conducteur électrique tel que le conducteur 26 et que par conséquent l'antenne résonante est omnidirectionnelle dans un demi-espace. Dans ce cas, les longueurs des brins tels que les brins 28, 30 et 32 sont respectivement inférieures à
- Ainsi, à titre d'exemple, pour une longueur d'onde λ = 314 mm et pour un conducteur électrique formé avec une bande de 5 mm de largeur, les longueurs de chacun des brins correspondant aux brins 28, 30 et 32 sont respectivement 53 mm, 30 mm et 3 mm. De plus dans cet exemple, la largeur de la zone de couplage telle que la zone 34 est de 1 mm, la borne 36 a une longueur de 4 mm et le diamètre du fil de liaison avec l'émetteur/récepteur est de 0,2 mm.
- La
figure 3 représente un deuxième mode de réalisation d'une antenne résonante omnidirectionnelle dans l'espace selon l'invention dans lequel l'antenne résonante est formée par un conducteur électrique 50 formant un monopôle. Ce conducteur électrique comporte cinq brins 52, 54, 56, 58 et 60 mis bout à bout et disposés de manière à former une première et une seconde parties image l'une de l'autre par rapport à un plan de symétrie 62. Les brins 52, 54, et 56 sont rectilignes et orthogonaux deux à deux entre eux. La première partie, se compose des brins 52, 54 et d'un demi-brin 64. Le demi-brin 64 représente la moitié supérieure du brin 56. Les brins 52, 54 et 64 forment un conducteur électrique similaire au conducteur électrique 26 décrit en regard de lafigure 2 . La longueur totale du conducteur électrique formé par les brins 52, 54 et par le demi-brin 64 est égale à la longueur d'onde de la fréquence de travail divisée par quatre. De façon plus précise la longueur du brin 52 est égale à celle du brin compris entre l'extrémité 8 et le point 20 de lafigure 1 . La longueur du brin 54 est égale à celle du brin compris entre les points 20 et 22 de lafigure 1 . La longueur du demi-brin 64 est égale à celle du brin compris entre le point 22 et l'extrémité 6 de lafigure 1 . La deuxième partie du conducteur électrique 50 se compose des brins 58, 60 et d'un demi-brin 66. Le demi-brin 66 représente la moitié inférieure du brin 56. Les dimensions des brins 58, 60 et du demi-brin 66 sont respectivement les mêmes que celles des brins 54, 52 et du demi-brin 64. La deuxième partie du conducteur électrique 50 est destinée à réaliser une image électrique de la première partie de façons à simuler l'existence d'un plan de masse. La deuxième partie remplit ainsi les fonctions d'un plan de masse tel que le plan de masse 38 de lafigure 2 pour la première partie, et vice versa. C'est pourquoi les dimensions des brins de la première partie sont déterminées de la même façon que dans le mode de réalisation de lafigure 2 . L'extrémité libre du brin 52 est reliée à une première borne d'un émetteur/récepteur d'ondes 68 et l'extrémité libre du brin 60 est reliée à une seconde borne de l'émetteur/récepteur d'ondes 68. Cette première et cette seconde bornes sont également l'image l'une de l'autre par rapport au plan de symétrie 62 de manière à ne pas introduire de déphase entre les signaux transmis/reçus par l'émetteur/récepteur d'ondes 68. - La
figure 4 représente, s'étendant le long de l'axe des abscisses d'un graphique, un conducteur électrique 68 formant un monopôle. Ce conducteur électrique est ici formé par une bande de largeur constante conductrice de courant, toutefois d'autres formes peuvent être utilisées dans d'autres modes de réalisation. Une première extrémité de ce conducteur électrique est raccordée à un émetteur/récepteur d'ondes 69. La seconde extrémité demeure libre. Une courbe 70 représente la densité surfacique de courant le long du conducteur électrique 68 à la fréquence de travail. Cette courbe est obtenue, par exemple, à l'aide de logiciels de simulation classiques. Dans cette exemple, et de façon similaire à ce qui a été décrit en regard de lafigure 1 , l'aire comprise entre la courbe 12 et le conducteur électrique 68 est divisée en trois aires 72, 74 et 76 de surface égale. Une fois ces aires définies, un point 78 est placé sur le conducteur électrique 68 pour marquer la limite entre l'aire 72 et l'aire 74. De même, un point 80, sur le conducteur électrique 68, marque la limite entre l'aire 74 et l'aire 76. Les points 78 et 80 découpent le conducteur électrique 68 en trois brins de longueur respective L1, L2 et L3. Les surfaces des aires 72, 74 et 76 sont respectivement proportionnelles aux niveaux de rayonnement des brins de longueur L1, L2 et L3. - La
figure 5 représente une antenne résonante dimensionnée d'après le graphique de lafigure 4 . Cette antenne comporte un conducteur électrique 86 formant un monopôle similaire au conducteur électrique 68 de lafigure 4 . Le conducteur électrique 86 est raccordé par une première extrémité à une borne 87 d'un émetteur/récepteur d'ondes 88. Une seconde extrémité du conducteur électrique 68 demeure libre. Ce conducteur électrique 86 se compose de trois brins 90, 92 et 94 mis bout à bout. Ces brins sont rectilignes et orthogonaux deux à deux entre eux. La longueur de chacun de ces brins est déterminée conformément à lafigure 4 c'est-à-dire que le brin 94 a une longueur L1, le brin 92 a une longueur L2 et le brin 90 a une longueur L3. L'extrémité libre du brin 94 est raccordée à l'émetteur/récepteur d'ondes 88 tout en étant perpendiculaire à un plan de masse 96 dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde λ de la fréquence de travail. L'ensemble de l'antenne constituée par le conducteur électrique 86 et le plan de masse 96 est noyé dans un matériau diélectrique 98 pour réduire les dimensions de l'antenne. En effet, noyer le conducteur électrique d'une antenne dans un matériau diélectrique ou le disposer à la surface d'un matériau diélectrique permet de réduire les dimensions requises pour le conducteur électrique et donc de l'antenne. - L'antenne résonante de la
figure 6 comporte un conducteur électrique 110 formé d'une bande de matière conductrice de courant de largeur constante. Ce conducteur électrique se compose de trois brins 112, 114 et 116 mis bout à bout et orthogonaux deux à deux entre eux. L'antenne comporte également deux éléments de masse 120 et 122. Ces éléments de masse 120 et 122 sont chacun formés par une bande en matière conductrice de courant de largeur constante. Le premier élément 120 comporte trois brins 124, 126 et 128 mis bout à bout. Le deuxième élément de masse 122 comporte également trois brins 130, 132 et 134 mis bout à bout. Ces deux éléments de masse 120 et 122 sont respectivement disposés à droite et à gauche du conducteur électrique 110. Les brins 124 et 130 des éléments de masse sont parallèles et coplanaires au brin 112 du conducteur électrique 110. De même les brins 126 et 132 et les brins 128 et 134 sont respectivement parallèles et coplanaires aux brins 114 et 116 du conducteur électrique 110. Les extrémités des brins 128, 116 et 134 opposées aux brins 126, 114 et 132 sont reliées entre elles par un élément conducteur de courant 136. L'extrémité libre du brin 112 est raccordée à un émetteur/récepteur d'ondes 138. Les longueurs des brins 112, 114 et 116 sont déterminées en fonction de la répartition de la densité surfacique de courant le long du conducteur électrique 110 de façon similaire à ce qui a été décrit en regard desfigures 1 et 2 . La largeur des intervalles 140, 142 séparant les brins des éléments de masse, des brins du conducteur électrique 110, ainsi que la largeur des bandes formant les éléments de masse sont déterminées par simulation ou par expérimentation pour adapter l'impédance réelle de l'antenne à celle de l'émetteur/récepteur d'ondes 138. Une telle antenne est typiquement réalisée en découpant des fentes de largeur constante dans une tôle qui est ensuite pliée à angle droit. - Le fonctionnement de l'antenne résonante omnidirectionnelle dans l'espace va maintenant être décrit à l'aide des
figures 1 et 2 . - Lors de l'émission d'un rayonnement électromagnétique à la fréquence de travail à l'aide de l'antenne de la
figure 2 , l'émetteur/récepteur d'ondes 37, génère par couplage électromagnétique dans la zone de couplage électromagnétique 34, une densité surfacique de courant dans le conducteur électrique 26. La densité surfacique de courant ainsi créée est répartie le long du conducteur électrique 26 comme illustré sur le graphique de lafigure 1 . - La longueur des brins 28, 30 et 32 est déterminée pour que les aires 14, 16 et 18 aient une surface égale. Par conséquent les niveaux de rayonnement de chacun des brins du conducteur électrique 26 sont les mêmes.
- Par ailleurs, le niveau de rayonnement émis en un point de l'espace quelconque est pratiquement la somme vectorielle du rayonnement émis par chacun des brins 28, 30 et 32. Ces brins sont orthogonaux entre eux et le rayonnement émis par un brin étant parallèle à sa direction, on conçoit dès lors que le rayonnement émis par un brin n'interfère pas avec celui des autres. Ainsi on notera que des brins orthogonaux optimisent le gain de l'antenne en évitant des phénomènes d'interférences destructives. On réalise donc, qu'aucune direction particulière de l'espace n'est privilégiée par cette antenne, puisque les brins sont orthogonaux et que le niveau de rayonnement de chaque brin est le même. Par conséquent, l'antenne ainsi réalisée est pratiquement omnidirectionnelle. On considère ici que le rayonnement est pratiquement omnidirectionnel dans une région prédéterminée de l'espace, si le niveau de rayonnement émis/reçu par l'antenne, suivant deux directions quelconques de cette région de l'espace ne varie pas de plus de 50%.
- On notera que le plan de masse 38 ne constitue pas un écran au rayonnement électromagnétique et que par conséquent le rayonnement de l'antenne précédente est omnidirectionnel dans l'ensemble de l'espace.
- Lors de la réception d'un rayonnement électromagnétique à la fréquence de travail à l'aide de l'antenne de la
figure 2 , les niveaux de rayonnement reçus suivant les directions des brins 28, 30 et 32 sont respectivement proportionnels aux aires 14, 16 et 18 et donc déterminés par les longueurs respectives de chaque brin. Dans le cas particulier du premier mode de réalisation, la longueur de chaque brin a été choisie pour que les aires 14, 16 et 18 soient égales. Par conséquent le niveau de rayonnement reçu pour un rayonnement donné parallèle à un brin sera le même que ce rayonnement soit parallèle aux brins 28, 30 ou 32. Un rayonnement de direction quelconque pouvant toujours être décomposé en trois composantes respectivement parallèles aux trois brins 28, 30 et 32 le niveau global de rayonnement reçu par l'antenne est donc inchangé quelle que soit la direction de ce rayonnement. On remarquera que comme l'émission, la réception n'est pas limitée par le plan de masse 38 à un demi-espace, si les dimensions en largeur et en longueur de celui-ci sont inférieures à λ. - Le fonctionnement de l'antenne représenté à la
figure 3 découle de celui qui vient d'être décrit. - En effet, la deuxième partie du conducteur électrique 50 de l'antenne formée par les brins 58, 60 et le demi-brin 66 remplit les fonctions d'un plan de masse s'étendant le long du plan de symétrie 62 pour la première partie formée par les brins 52, 54 et le demi-brin 64. Par conséquent l'étude du fonctionnement de la première partie de l'antenne se ramène à l'étude du fonctionnement d'un conducteur électrique raccordé perpendiculairement à un plan de masse se confondant avec le plan de symétrie 62. Le fonctionnement d'une telle structure a déjà été décrit en regard de la
figure 2 . - Réciproquement, la première partie de l'antenne remplit les fonctions de plan de masse se confondant avec le plan de symétrie 62 pour la deuxième partie de l'antenne. Par conséquent, de façon similaire à ce qui vient d'être décrit ci-dessus, le fonctionnement de la deuxième partie de l'antenne se ramène à l'étude d'une antenne dont la structure est similaire à celle décrite en regard de la
figure 2 . - Le fonctionnement des antennes résonantes représentées respectivement aux
figures 5 et 6 se déduit facilement du fonctionnement de l'antenne décrite en regard de lafigure 2 . - En variante le conducteur électrique des exemples précédents de réalisation se compose de brins formés avec des éléments filaires au lieu de brins en forme de bande. Le diamètre du fil formant chaque brin est déterminé pour ajuster l'impédance réelle d'une telle antenne à celle de l'émetteur/récepteur d'ondes.
- En variante le conducteur électrique des exemples précédents de réalisation se compose de brins de formes quelconques dont on sait calculer la répartition de la densité surfacique de courant à la fréquence de travail.
- Avantageusement un dispositif de réception et d'émission de rayonnements électromagnétiques comporte plusieurs antennes résonantes omnidirectionnelles dans un demi-espace ou dans l'ensemble de l'espace telles que celles décrites ci-dessus adaptées chacune pour recevoir et émettre une longueur d'onde prédéterminée. Ainsi, le dispositif de réception et d'émission est à la fois omnidirectionnel dans un demi-espace ou dans l'ensemble de l'espace, et apte à recevoir et émettre à différentes longueurs d'onde.
Claims (18)
- Antenne résonante omnidirectionnelle dans un demi ou l'ensemble de l'espace comportant un seul conducteur électrique (26 ; 50; 86 ;110) rayonnant formant un monopole avec une longueur totale résonnant à une fréquence prédéterminée et une répartition de densité surfacique de courant prédéterminée le long du conducteur électrique formé d'au moins trois brins (28, 30, 32 ; 52, 54, 56, 58, 60; 90; 92; 94; 112; .114; 116) mis bout à bout, la longueur de chaque brin et l'orientation des brins l'un par rapport à l'autre contribuant à déterminer le rayonnement global du conducteur électrique, les brins étant orientés suivant au moins trois directions différentes de l'espace et étant orthogonaux deux à deux entre eux, caractérisé en ce que l'intégrale de la densité surfacique de courant le long de chaque brin a une même valeur.
- Antenne résonante selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conducteur électrique rayonnant (50) comporte deux parties symétriques par rapport à un plan de symétrie (62) pour obtenir un rayonnement du conducteur électrique, omnidirectionnel dans l'ensemble de l'espace.
- Antenne résonante selon la revendication 2, caractérisée en ce que le conducteur électrique rayonnant (50) se compose d'un premier, d'un deuxième, d'un troisième, d'un quatrième et d'un cinquième brins (52, 54, 56, 58, 60), le quatrième et le cinquième brins (58, 62) étant respectivement les images par symétrie du deuxième et du premier brins (52, 54) par rapport au plan de symétrie (62) médian du troisième brin (56).
- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un brin à l'extrémité du conducteur électrique rayonnant (26 ; 86) est positionné perpendiculairement à un plan de masse (38 ;96).
- Antenne résonante à une longueur d'onde λ selon la revendication 4, caractérisée en ce que les dimensions du plan de masse (38 ; 96) sont inférieures à la longueur d'onde X pour obtenir un rayonnement du conducteur électrique omnidirectionnel dans l'ensemble de l'espace.
- Antenne résonante à une longueur d'onde λ selon la revendication 4, caractérisée en ce que les dimensions du plan de masse sont plusieurs fois supérieures à la longueur d'onde λ pour obtenir un rayonnement du conducteur électrique omnidirectionnel dans un demi-espace.
- Antenne résonante selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des éléments de masse (124, 126, 128, 130, 132, 134) et en ce que les brins (112, 114, 116) du conducteur électrique rayonnant (110) sont respectivement coplanaires à ceux-ci.
- Antenne résonante selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que le conducteur électrique rayonnant (26) comporte une première extrémité raccordée à un émetteur/récepteur d'ondes (37) et une seconde extrémité raccordée au plan de masse (38).
- Antenne résonante selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, 10 caractérisée en ce que le conducteur électrique rayonnant (1 10) comporte une première extrémité raccordée à un émetteur/récepteur d'ondes (138) et une seconde extrémité raccordée aux éléments de masse (120, 122).
- Antenne résonante selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que le conducteur électrique rayonnant (26) est raccordé à l'émetteur/récepteur 15 d'ondes (37) par l'intermédiaire d'une zone de couplage électromagnétique (34).
- Antenne résonante selon la revendication 10, caractérisée en ce que les dimensions de la zone de couplage électromagnétique (34) déterminent en partie l'impédance réelle de l'antenne.
- Antenne résonante selon l'une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisée en ce que le conducteur électrique rayonnant (26 ; 86 ; 110) se compose d'un premier, d'un deuxième et d'un troisième brins (28, 30, 32 ; 90, 92, 94; 112, 114, 116).
- Antenne résonante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les brins consécutifs (28, 30, 32 ;52, .54, 56, 25 58, 60 ; 90, 92, 94 ; I 12, 114, 1 16) du conducteur électrique rayonnant sont orientés suivant deux directions orthogonales entre elles.
- Antenne résonante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les brins (28, 30, 32 ; 52 54, 56, 58, 60 ; 90, 92, 94 ; 112, 114, 116) sont chacun formé par une bande dont la largeur est déterminée pour adapter, au moins en partie, l'impédance réelle de l'antenne à l'impédance d'un émetteur/récepteur d'ondes destiné à être raccordé à l'antenne.
- Antenne résonante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conducteur électrique rayonnant (26 ; 50; 86 ; 110) se compose de brins filaires.
- Antenne résonante selon l'une des revendications 1 à 7 et 12 à 15, caractérisée en ce que le conducteur électrique rayonnant (86) comporte une première extrémité raccordée à un émetteur I récepteur d'ondes et une seconde extrémité libre.
- Antenne résonante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conducteur électrique rayonnant (86) est associé à un matériau diélectrique (98) réduisant les dimensions de l'antenne.
- Dispositif de réception et d'émission de rayonnements électromagnétiques dans un demi ou dans l'ensemble de l'espace, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs antennes résonantes omnidirectionnelles selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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