FR2498015A1 - Antenne en bande court-circuitee polarisee lineairement et a large bande - Google Patents

Abstract

L'ANTENNE EST CONSTITUEE PAR UNE PLAQUE PLANE CONDUCTRICE 1 PRES D'UN BORD DROIT 3 DE LAQUELLE EST PREVU UN SILLON 2 A SECTION EN U TRES APLATI, LEQUEL EST RECOUVERT D'UNE BANDE CONDUCTRICE 6 EN CONTACT GALVANIQUE AVEC LA PARTIE 5 DE LA PLAQUE 1 SITUEE ENTRE LE SILLON 2 ET LE BORD 3 DE PLAQUE ET RECOUVRANT ENTIEREMENT LE SILLON 2. LE BORD INTERNE 7 DE LA BANDE 6 EST ISOLE DU BORD INTERNE 8 DU SILLON 2. UNE PLURALITE DE POINTS DU BORD INTERNE 7 DE LA BANDE 5 SONT ALIMENTES EN COURANTS ELECTRIQUES D'EXCITATION A TRES HAUTE FREQUENCE EQUI-AMPLITUDES ET EQUIPHASES. LE PERIMETRE DE LA SECTION DROITE DU SILLON 2 EST DE L'ORDRE DU QUART DE LA LONGUEUR D'ONDE CORRESPONDANT A LA FREQUENCE DES COURANTS D'EXCITATION ET LA LONGUEUR DE LA BANDE 6 EST TRES GRANDE DEVANT LA LONGUEUR D'ONDE. LES POINTS DU BORD INTERNE 7 DE LA BANDE 6 SONT ALIMENTES PAR UNE LIGNE A BANDES DE STUCTURE EN ARBRE SYMETRIQUE 15 REALISE EN CIRCUIT IMPRIME.

Description

La présente invention concerne une antenne en bande court-circuitée polarisée linéairement et à large bande.

Dans le certificat d'addition NO 79 05580 déposé le 5 mars 1979 par le présent demandeur, on a décrit un doublet en plaques qui est court-circuité à ses extrémités. Dans la direction perpendiculaire au champ électrique, la dimension de ce doublet est inférieure à 1/2, où 1 est la longueur d'onde dans le vide. Un tel doublet plaque courtcircuité, fonctionnant à la résonance ou en dehors de la résonance, possède une bande passante pouvant, en pourcentage, atteindre 10 % pour une fréquence de fonctionnement de l'ordre de 730 MHz.

Un objet de la présente invention consiste à prévoir une antenne en plaque, également court-circuitée, dont la "largeur", telle que définie ci-dessus, soit largement supérieure à la longueur d'onde de fonctionnement.

On a déjà tenté d'augmenter la "largeur" d'un doublet plaque ouvert demi-onde, comme cela est décrit dans l'article technique intitulé "Build Microstrip Antennas with paper thin dimensions" par
I.J. Bahl et paru dans la revue technique américaine "Microwaves", octobre 1979, page 50. Ce doublet ouvert, quand il est excité convenablement, à une bonne directivité dans le plan H, mais a une bande passante limitée à 4 X.

Un autre objet de l'invention conslste à prévoir une antenne ayant une largeur de bande nettement améliorée par rapport aux antennes mentionnées ci-dessus.

Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévue une antenne en bande court-circuitée constituée par une plaque plane conductrice près d'un bord droit de laquelle est prévu un sillon à section en U très aplati, lequel est recouvert d'une bande conductrice en contact galvanique avec la partie de plaque située entre le sillon et ledit bord de plaque et recouvrant entièrement ledit sillon, le bord interne de ladite bande étant isolé du bord interne du sillon, une pluralité de points dudit bord interne de la bande étant alimentés en courants électriques d'excitation à très haute fréquence équiamplitudes et équiphases, le périmètre de la section droite du sillon pratiquement fermée par la bande étant de l'ordre du quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence desdits courants d'excitation et la longueur de la bande étant très grande devant ladite longueur d'onde.

Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparartront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels:
la Fig. 1 est une vue en plan d'une antenne bande suivant l'invention,
la Fig. 2 est une vue partielle en perpespective de l'antenne de la Fig. 1,
ia Fig. 3 est une vue partielle en coupe de l'antenne bande de la Fig. 1,
la Fig. 4 représente des diagrammes de directivité théoriques et pratiques concernant l'antenne bande de la Fig. 1, et
la Fig. 5 est une vue schématique en perspective d'un exemple d'application d'une antenne du type de celle de la Fig. 1.

L'antenne bande représentée aux Figs. 1 à 3 comprend une plaque de masse 1 dans laquelle a été prévu un sillon ouvert 2 de section en
U aplati. Le sillon 2 a une direction parallèle au bord 3 de la plaque 1. La profondeur h du sillon 2 est petite par rapport à sa largeur m. La distance du bord 3 au bord 4 du sillon, qui est le plus proche du bord 3, est, dans l'exemple décrit, de l'ordre de la largeur du sillon, mais est en pratique indifférente.

Sur la partie 5 de la face supérieure de la plaque 1 qui relie les bords 3 et 4, est fixée une bande métallique 6 dont la largeur est égale à celle de 5, plus celle du sillon 2, noirs une très petite quantité, de manière à laisser un intervalle entre le bord 7 de 6, le plus éloigné de 3, et l'autre bord 8 du sillon.

Sur la partie 9 de la face supérieure de la plaque 1, au-delà de 8, est prévu un revêtement isolant 1O dont un bord 11 est intercalé entre les bords 7 et 8, et qui porte un circuit d'alimentation imprimé 12.

La longueur W du bord 3, c'est à dire aussi de la plaque 1 et de la bande 6, correspond à la "largeur" de l'antenne.

Le circuit imprimé d'alimentation 12 a la forme d'un arbre symétrique par rapport à l'axe 13 de symétrie de l'antenne. La base 14 de l'arbre 12 constitue l'entrée d'alimentation qui est reliée à une embase coaxiale par un passage classique ligne à bande-ligne coaxiale. Dans l'exemple de réalisation décrit, l'arbre se subdivise jusqu'à obtenir seize branches 15 dont les extrémités sont soudées à la base du bord 7 de la bande 6. En pratique, l'arbre 12 est un distributeur classique en lignes à bande permettant d'exciter N = points, avec p = 4 dans l'exemple décrit, avec des courants d'amplitudes et phases constantes. La masse des lignes à bande est la plaque 1 qui sert de réflecteur.

Du point de vue électrique, la bande 6, qui constitue la bande rayonnante, est excitée par les extrémités des branches 15 et est court-circuitée à la plaque 1 par la partie 5. La partie rayonnante de 6 se trouve, au-dessus du sillon 2 à une hauteur h du fond de celui-ci. La somme (m + 2h) est voisine du quart de longueur d'onde.

La multiplication des points d'excitation "forcée", qui est obtenue par les branches 15, permet d'obtenir l'augmentation de la "largeur" de l'antenne. Si l'on veut exciter de façon privilégiée, le mode T.E.M., en évitant les modes d'ordre supérieur, le nombre N de points d'excitation équiphases doit largement excéder le nombre immédiatement supérieur à W/J.

A la résonance, la directivité théorique maximale isotrope linéaire de la bande rayonnante 6 est la suivante: DM = 4 (WA/4) = m 9 W (1)
A2
En effet, la surface rayonnante de la bande court-circuitée à la résonance quart d'onde est égale à W )/4.

Le diagramme de directivité dans le plan H est donné approximativement par celui d'un réseau de N sources de mêmes amplitudes et phases dont la distance entre sources adjacentes est égale à W/N = w/2. Ce diagramme normalisé est le suivant:

W 1 sine avec u =. .

Dans le plan "H", e = O correspond à la direction du maximum de rayonnement. Le rayonnement directif de la bande rayonnante courtcircuitée est transversal à polarisation linéaire.

Dans un modèle de réalisation, qui a été expérimenté, W était de 352 mm, N = 16, h = 1,8 mm, l'isolant 10 du circuit imprimé avait une épaisseur de 0,4 mm et un coefficient tr égal à 2,32. On a fait fonctionner cette antenne dans une bande de fréquences centrée autour de la fréquence 5,4 GHz et on a obtenu les résultats qui sont consignés dans le tableau I ci-dessous.

Tableau I f(GHz) mes th r (dB) D (dB) G
3dB M m dB)
(degrés) (degrés)
4,8 9,0 8,97 - 40 12,48 10,3 61
4,9 8,7 8,79 - 33 12,57 10,9 68
5,0 9,0 8,61 - 30 12,65 12,0 86
5,1 8,5 8,55 - 30 12,74 10,5 60
5,2 8,5 8,28 - 30 12,83 10,7 61
5,4 8,0 7,97 - 30 12,99 12,6 91
5,6 7,7 7,69 - 30 13,14 12,6 88
5,8 7,7 7,42 - 27 13,30 11,2 62
5,9 7,2 7,30 - 27 13,37 10,1 47
6,0 7,0 7,18 - 28 13,45 11,0 57
Il apparat que le rayonnement de cette antenne est directif dans le plan "H" et très peu directif dans le plan "E". Sa polarisa mes tion est linéaire.Dans le tableau I, #3dB correspond à l'ouvertureà th 3 dB du faisceau principal mesurée dans le plan H, e3dgcorrespond à l'ouverture correspondante théorique pour une ligne de source conti th nue équiamplitude et équiphase - #3dB(degrés) = 50.5 #/W -, #(dB) est le taux de composante croisée mesuré dans l'axe de rayonnement maximal pour e = oo, DM(dB) est la directivité maximale théorique donnée par la formule (1) ci-dessus, G (dB) est le gain mesuré
m correspondant et #(%) est le rendement de l'antenne.

On observera que les ouvertures des faisceaux théorique et expérimental sont très proches les unes des autres et prcuvent la validité de l'hypothèse sur la distribution de courant de conduction.

Le taux de polarisation très faible prouve la grande pureté de la polarisation.

On observera également que la dispersion du rendement, dont la valeur moyenne est égale à 68 %, est due à l'incertitude de t 0,5 dB sur la valeur du gain mesuré. Les pertes correspondantes sont dues pour une part au distributeur qui peut être amélioré. En pratique, cette valeur moyenne de rendement de 68 % est considérée comme excellente. Enfin, la bande passante de 22 % autour de 5,4 GHz est très large.

La Fig. 4 montre les diagrammes de directivité théorique et expérimental à la fréquence centrale de 5,4 GHz dans le plan "H". Le diagramme théorique résulte de l'application de la formule (2) cidessus. Le lobe principal et les deux premiers lobes secondaires théoriques et expérimentaux colncident bien. Les lobes secondaires suivants, de niveaux plus faibles, sont différents à cause de la diffraction sur les bords de l'antenne, dont il n'a pas été tenu compte. Dans le plan "E", le diagramme de directivité est très large en raison du rayonnement du courant du court-circuit. Ce diagramme, dans le plan "E", est comparable à celui du doublet court-circuité de faible largeur.

La bande passante obtenue pour la bande rayonnante court-circuitée quart-d'onde, suivant l'invention, qui est supérieure à 22 %, est très largement supérieure à celle d'un modèle de bande rayonnante demi-onde ouverte qui est, par principe, limitée à quelques pour cent. Le rendement est correct et peut être amélioré en utilisant un distributeur plus épais.

A titre de variante, la Fig. 5 montre une feuille isolante 16, prête à être enroulée sur un cône ou un cylindre 17, qui simule ici un véhicule rapide. Dans cette variante, la feuille 16 remplace la carte isolante 10 de la Fig. 1 et porte un circuit imprimé formé d'un distributeur d'alimentation 18, analogue à 12, et d'une bande métallique 19 qui remplace la bande 6 de la Fig. 1. La partie cylindrique 17 présente une gorge circulaire 20 dont la section méridienne est en U très aplati, comme le sillon 2 de la Fig. 1. En avant de la gorge 20, est prévue une rangée circulaire de trous 21 servant au moyen de vis 22 passant, à travers des trous correspondant de la feuille 16, au niveau de la bande 19, à relier électriquement cette bande au corps métallique du cylindre, c'est à dire à réaliser les courts-circuits désirés.

On peut, dans l'exemple de réalisation de la Fig. 1, intégrer également la bande rayonnante sur le circuit imprimé du distributeur et éventuellement supprimer la discontinuité de structure du sillon.

De même, dans la variante de la Fig. 5, on peut ou non conserver le sillon ou gorge 20.

Enfin, si on utilise plusieurs bandes rayonnantes plates parallèles, pour accroître la directivité dans le plan "E", on obtient des antennes plaques à grand gain dont la conception est particulierement bien adaptée à l'intégration d'éléments actifs, tels que des diodes
PIN, pour engendrer un balayage électronique du faisceau.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1) Antenne en bande court-circuitée polarisée linéairement et à large bande, caractérisée en ce qu'elle est constituée par une plaque plane conductrice 1 près d'un bord droit (3) de laquelle est prévu un sillon (2) à section en U très aplati, lequel est recouvert d'une bande conductrice (6) en contact galvanique avec la partie (5) de la plaque (1) située entre le sillon (2) et ledit bord (3) de plaque et recouvrant entièrement ledit sillon (2), le bord interne (7) de ladite bande (6) étant isolé du bord interne (8) du sillon (2), une pluralité de points dudit bord interne (7) de la bande (5) étant alimentés en courants électriques d'excitation à très haute fréquence équiamplitudes et équiphases, le périmètre de la section droite du sillon (2) étant de l'ordre du quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence desdits courants d'excitation et la longueur de la bande (6) étant très grande devant ladite longueur d'onde.

2) Antenne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite plaque conductrice (17) n'est pas plane, mais de surface cylindrique ou conique, ainsi que ladite bande (19).

3) Antenne suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les points du bord interne (7) de la bande (6 ou 19) sont alimentés par une ligne à bandes de structure en arbre symétrique (15) réalisé en circuit imprimé.

4) Antenne suivant la revendication 3, caractérisée en ce que la bande (19) est également imprimée sur la feuille isolante (16) portant ledit arbre.