WO2004027930A1 - Antenne hélicoïdale à large bande - Google Patents

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WO2004027930A1
WO2004027930A1 PCT/FR2003/002774 FR0302774W WO2004027930A1 WO 2004027930 A1 WO2004027930 A1 WO 2004027930A1 FR 0302774 W FR0302774 W FR 0302774W WO 2004027930 A1 WO2004027930 A1 WO 2004027930A1
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WO
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strands
radiating
strand
parasitic
helical antenna
Prior art date
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PCT/FR2003/002774
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English (en)
Inventor
Ala Sharaiha
Yoann Letestu
Jean-Christophe Louvigne
Original Assignee
Universite De Rennes 1
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/362—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith for broadside radiating helical antennas
    • 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 with a hemispherical or quasi-hemispherical radiation pattern. More specifically, the invention relates to helical antennas of this type.
  • the antenna of the invention finds applications in particular in the context of mobile satellite communications between fixed users and / or mobiles of any type, for example aeronautical, maritime or terrestrial.
  • satellite communication systems are implemented, or are currently under development (for example the INMARSAT, INMARSAT-M, GLOBALSTAR (registered trademarks) systems, ).
  • These antennas are also of interest in the deployment of personal communication systems (PCS) by geostationary satellites.
  • PCS personal communication systems
  • the aim of these systems is to provide land users with new communications services (multimedia, telephony) via satellites.
  • new communications services multimedia, telephony
  • geostationary or moving satellites they provide global ground coverage. They must be similar to terrestrial cellular systems in terms of cost, performance and size.
  • the antenna located on the user's terminal is a key element from the point of view of the reduction in size.
  • the very different incidences of the signals received or transmitted require the antennas to have a radiation diagram with hemispherical or quasi-hemispherical coverage.
  • the polarization must be circular (left or right) with a ratio of less than 5 dB in the useful band. More generally, the invention can find applications in all systems requiring the use of a wide band and circular polarization.
  • the antennas must indeed have the above characteristics either in a very wide bandwidth, of the order of 10% or more, or in two neighboring sub-bands corresponding respectively to reception and to l 'program.
  • a quadrifilar helical antenna is formed by four radiating strands.
  • This antenna called the printed quadrifilar helix antenna (HQI)
  • HQI printed quadrifilar helix antenna
  • Dual-layer HQI antennas These antennas are formed by the concentric "nesting" of two coaxial resonant quadrifilar helices, electromagnetically coupled. The assembly functions as two coupled resonant circuits, the coupling of which deviates the resonant frequencies.
  • a two-layer resonant quadrifilar helical antenna is thus obtained, according to the technique described in FR - 89 14952.
  • This technique has the advantage of requiring a single supply system, and of allowing dual band or broadband operation.
  • the radiating strands are printed on a thin dielectric substrate, then wound on a cylindrical support transparent from the radioelectric point of view.
  • the four strands of the propeller are open or short-circuited at one end and electrically connected at the other end.
  • This antenna requires a supply circuit, which ensures the excitation of the different antenna strands by signals of the same amplitude in phase quadrature.
  • This function can be performed using 3dB -90 ° coupler structures and a hybrid ring.
  • the assembly can be made in printed circuit and placed at the base of the antennas. A simple but bulky supply is thus obtained.
  • the antenna (including its feed) be of the smallest possible size and weight, and that it have the lowest possible cost.
  • an objective of the invention is to provide a resonant helical antenna having a wide bandwidth, which can cover, for example, the transmission band and the reception band of a communication system.
  • an objective of the invention is to provide such a helical antenna having a large bandwidth (greater than that obtained according to the prior art) in each sub-band, when two sub-bands are provided.
  • Another objective of the invention is to provide such an antenna whose dimensions, performance and cost are acceptable for portable terminals of terrestrial cellular systems.
  • Another object of the invention is to provide a reduced size antenna while having broadband operation.
  • An objective of the invention is also to provide an antenna relatively simple to manufacture, and therefore of low cost. Yet another objective of the invention is to provide a technical alternative to the solutions of the prior art.
  • a helical antenna comprising at least one helix formed by at least two radiating strands, at least one of the radiating strands being associated with a parasitic strand of width less than or equal to the radiating strand (s) so as to widen the bandwidth of the antenna.
  • the helical antenna is remarkable in that each of the parasitic strands is connected to ground.
  • the operation of the antenna and in particular of the parasitic strands is optimized.
  • the helical antenna is remarkable in that the radiating strands and the parasitic strands are printed on a substrate. In this way, the helical antenna can be produced according to a manufacturing method that is simple, effective and low cost.
  • the antenna is remarkable in that each of the radiating strands is associated with a parasitic strand of width less than or equal to the radiating strand.
  • a selfic behavior corresponding to a radiating strand and in particular to its length
  • a global capacitive behavior corresponding to the association of a radiating strand and a parasitic strand and dependent on the distance between these two strands and the ratio between their width
  • the parasitic strand preferably being of small width.
  • the helical antenna is remarkable in that the ratio between the width of each of the parasitic strands and the width of the associated radiating strand is less than or equal to 0.15.
  • the performance of the antenna is optimal, in particular in the bands close to 1 GHz.
  • the helical antenna is remarkable in that each of the parasitic strands is positioned relative to the associated radiating strand so as to optimize the coupling between the parasitic strand and the associated radiating strand.
  • a parasitic strand and the associated radiating strand are positioned so as to optimize the bandwidth, a coupling optimum being, if it exists, dependent on the distance separating them.
  • the antenna has a better adaptation.
  • the helical antenna is remarkable in that each of the parasitic strands is more distant from the associated radiating strand than from at least one of the other radiating strands.
  • an optimization of the coupling between the parasitic strand and the associated radiating strand is often obtained by moving the parasitic strand away from the associated radiating strand; thus, the further the parasitic strand and the associated radiating strand are, the wider the radiation band of the antenna.
  • the helical antenna is remarkable in that each of the parasitic strands is parallel to the radiating strand with which it is associated.
  • the two strands are parallel if their longitudinal center lines are parallel.
  • the two strands are considered to be parallel if one of the following three conditions is met: their longitudinal median lines are parallel; or their tangent lines outside and / or inside in the direction of the length are parallel; or
  • each of the segments forming the parasitic strand is parallel to an associated segment of the radiating strand.
  • each of the parasitic strands and associated radiating strands have a capacitive effect.
  • the helical antenna is remarkable in that each of the parasitic strands has substantially the same length as the radiating strand with which it is associated.
  • the antenna is relatively simple to produce (and in particular simpler than if the ground connection at one end of the parasitic strand was made, for example, in the middle of the cylinder).
  • the helical antenna is remarkable in that one of the ends of each of the radiating strands is connected by a conductive link to one of the ends of the radiating strand with which the parasitic strand is associated.
  • the parasitic strands and the associated radiating strands can be etched on the same side of the substrate, the other side of the substrate then being available for another use (for example, for etching additional strands or another helical antenna ).
  • the helical antenna is remarkable in that one of the ends of each of the radiating strands is connected by coupling to one of the ends of the radiating strand with which the parasitic strand is associated.
  • the helical antenna is remarkable in that the radiating strands are printed on a first face of a substrate and in that the parasitic strands are printed on a second face of the substrate.
  • the helical antenna is remarkable in that at least one parasitic strand and a radiating strand close to the radiating strand with which the parasitic strand is associated overlap.
  • the distance between a parasitic strand and the associated radiating strand is greater than that separating two neighboring radiating strands. This makes it possible in particular to obtain more margin for the adjustment of the coupling between a parasitic strand and the associated radiating strand and therefore to find more easily a optimum for improving the bandwidth.
  • the helical antenna is remarkable in that the end of the radiating strands not connected to a parasitic strand is connected to a line of attack of a supply circuit.
  • the operation of the antenna is optimized.
  • the helical antenna is remarkable in that at least one of the propellers is a quadrifilar propeller, comprising four strands.
  • the opening of the antenna is very wide, the radiation diagram being almost hemispherical.
  • the helical antenna is remarkable in that the radiating strands forming a helix all have the same dimensions and in that the parasitic strands all have the same dimensions.
  • the strands have the same current distribution 90 ° out of phase.
  • the helical antenna is remarkable in that at least one of the radiating and / or parasitic strands is formed of at least two segments, the winding angles of at least two of the segments being different and determined randomly or pseudo-randomly using global optimization means.
  • the helical antenna is remarkable in that at least one of the radiating and / or parasitic strands has a variable width, varying regularly and monotonously between a maximum width and a minimum width. In this way, the adaptation of the antenna is simplified, an additional adjustment parameter being available for this adaptation.
  • the helical antenna is remarkable in that the radiating strands have a length substantially different from a multiple of the wavelength corresponding to the average frequency of the antenna transmission band, divided by 4.
  • Figures 1 and 2 illustrate a quadrilateral helical antenna of known type, with conventional strands of constant width, respectively when the propeller is developed (Figure 1) and when it is wound on a cylindrical support ( Figure 2);
  • - Figure 3 is an example of a propeller according to the invention, in its developed form;
  • - Figure 4 shows a front view of the propeller of Figure 3, wound on its cylindrical support;
  • FIG. 5 illustrates an example of ROS measured at the input of a strand for an antenna according to the invention
  • FIG. 6 is a Smith chart representing the input impedance of an antenna according to the invention.
  • FIG. 7a and 7b illustrate a variant of the invention according to which radiating strands and associated parasitic strands are coupled by being printed on two opposite faces of a substrate;
  • FIG. 8 shows an example of an antenna according to a variant of the invention according to which radiating strands are of variable width;
  • Figures 9a and 9b show an example of an antenna according to another variant of the invention having radiating strands forming a broken line.
  • Figures 1 and 2 show a conventional quadrilateral helix antenna, as already discussed in the preamble. It includes four strands 11, 11 4 in length
  • the antenna requires a supply circuit which excites the different strands by signals of the same amplitude and in phase quadrature.
  • This function can be obtained from 3dB -90 ° coupler structures and a hybrid ring, made in printed circuit and placed at the base of the antennas.
  • FIG. 3 shows an example of a propeller 30 according to the invention, in its developed form.
  • the HQI antenna 30 therefore has 4 regularly radiating strands 31, 31 4 regularly spaced, printed on a substrate 32 and of width equal to Wa.
  • the four strands 31, to 31 4 are folded back on themselves at one of their ends respectively 36, to 36 4 each forming a parasitic strand respectively 34, to
  • the parasitic strands 34, to 34 4 have a width W br less than the width, W a , of the radiating strands in order to guarantee a broadband operation of the antenna.
  • the parasitic strands 34, to 34 4 are connected to the ground 35 at the end opposite the end respectively 36, to 36 4 .
  • the width, W br , of parasitic strands and the width, W a , of radiating strands are constant.
  • the antenna 30 is then wound on a cylindrical support, as illustrated in FIG. 4, which presents a front view of the antenna wound on its cylindrical support.
  • the antenna produced and illustrated with reference to FIGS. 3 and 4 has the following characteristics:
  • Length of the strands 0.83 ⁇ where ⁇ represents the wavelength corresponding to the average frequency of the transmission band (this length having been chosen to optimize the opening of the antenna); - Diameter: 0.18 ⁇ ; Distance d: 9 mm; Width W br : 1.95 mm - Ratio of strand widths WW br : 8.
  • Winding angle 50 °.
  • the antenna band widens as the distance d increases.
  • the parasitic strand is therefore close to the neighboring radiating strand.
  • there is an optimum bandwidth as a function of the distance between a parasitic strand and the associated radiating strand.
  • FIG. 5 makes it possible to view the ROS 52 measured as a function of the frequency 50 (expressed in GHz in the figure) measured at the input of a radiating strand for the antenna 30 illustrated with reference to FIGS. 3 and 4, the others being charged under 50 ⁇ .
  • the antennas are measured at the central frequency FI equal to 1.5 GHz.
  • the HQI antenna with folded strand according to the invention, an adaptation of the HQI antenna is obtained which is less than ⁇ 10 dB over the interval going from 1.27 GHz to 1.65 GHz, ie a bandwidth which reaches 26%.
  • the HQI antenna has a significant increase in bandwidth.
  • the folded printed quadrifilar helical antenna each parasitic strand of which is connected to ground, allows transmission and / or reception in a wide passband or in two different sub-bands, each having a wide passband.
  • the technique of the invention therefore gives a non-negligible increase in bandwidth.
  • a printed quadrilateral helical antenna operating in a wide bandwidth and / or in two different sub-bands each having a wide bandwidth, and the height of which is reduced.
  • FIG. 6 is a Smith chart representing the input impedance 60 of an antenna according to the invention standardized at 50 Ohms.
  • FIG. 7a presents an example of a propeller 70 according to a variant of the invention, in its developed form.
  • the HQI antenna 70 therefore comprises 4 regularly radiating conductive strands 71, 71 4 , spaced regularly, printed on a first face of the substrate 72 and of width equal to W a .
  • the four strands 71, 71 4 are connected at one end to the lines of attack of the supply circuit 73.
  • Parasitic strands 74, 74 4 are printed parallel to the radiating strands on a second face of the substrate 72 opposite the first face.
  • the parasitic strands 74, 74 4 are connected to ground 75 at one of their ends respectively 71, 71 4 .
  • Each of the parasitic strands 74, 74 4 is coupled by its end respectively 75, to 75 4 not connected to the ground 75, to the end not connected to the supply of the strand respectively 71, to 71 4 with which it is associated.
  • the parasitic strands 74, to 74 4 have a width W br less than or equal and, preferably much less (in a ratio W br W a less than 0.15), to the width, W a , of the radiating strands in order to guarantee a broadband operation of the antenna.
  • W br width of parasitic strands
  • W a width of radiating strands
  • the distance separating a parasitic strand and the associated radiating strand is not limited by the distance separating two radiating strands.
  • the distance between a parasitic strand and the radiating strand can be greater than the distance separating two radiating strands.
  • the coupling between a parasitic strand and the associated radiating strand and therefore the bandwidth can then be improved. We then have more possibilities in the search for optimum coupling.
  • FIG. 7b illustrates in detail the end 751 of the radiating strand 711 coupled to the parasitic strand 741.
  • each of the parasitic strands and the associated radiating strand overlap on either side of the substrate 72 over a distance E between 0 and the distance d separating the parasitic strand from the associated radiating strand.
  • the other characteristics of the antenna 70 (winding around a cylindrical support, dimensions of the strands and of the antenna, etc.) being similar to that of the antenna 30 of FIGS. 3 and 4, they will not be described further. .
  • FIG. 8 shows an example of antenna 80 according to a variant of the invention according to which radiating strands 81, 81 4 are of variable width.
  • Each of the radiating strands 81, to 81 4 is connected by one of its ends to a parasitic strand 84, to 84 4 .
  • the object of this embodiment is in particular to obtain an HQI antenna 80 making it possible to further broaden the bandwidth and / or to allow better adaptation of the antenna 80 (the variation in the width of the band being an additional parameter usable for adaptation).
  • This is obtained in varying the width of the radiating strands along the helix.
  • the ends of the radiating strands have a different width W a and W a2 respectively .
  • the variation of the width can be: regular according to a linear law, exponential, double exponential, in staircase ... or not regular.
  • the width of the parasitic strands is constant and each of the parasitic strands is parallel to a longitudinal center line of the associated radiating strand (illustrated, for example, by the line 87 corresponding to the strand 81,).
  • each of the radiating strands of the antenna 80 has a minimum width W a , equal to 2mm and a maximum width W a2 equal to 16 mm.
  • the characteristics of the antenna 80 being similar to those of the antenna 30 illustrated with reference to FIGS. 3 and 4, they will not be described further.
  • the parasitic strands of a helical antenna are coupled and not directly connected to radiating strands of variable width, similar to the strands 81, 81 4 of the antenna 80 (according to a similar coupling to that of the radiating and parasitic strands of the antenna 70).
  • the width of the parasitic strands is variable, the longitudinal center lines of each of the parasitic strands and of the associated radiating strand are parallel.
  • the parasitic strands are parallel to one of the sides of the radiating strands.
  • a parasitic strand parallel to an adjacent radiating strand makes it possible, in particular, to move this parasitic strand away from the associated radiating strand while bringing it closer to the adjacent strand thus increasing the capacitive effect and the bandwidth of the antenna.
  • FIG. 9a shows an example of antenna 90 according to another variant of the invention having radiating strands 91, to 91 4 forming a broken line.
  • Each of the radiating strands 91, to 91 4 is connected by one of its ends to a parasitic strand 94, to 94 4 .
  • Each radiating strand 91, to 91 4 (or at least some) of the HQI antenna is broken down into a limited number of segments. From the mathematical expressions linking the geometrical parameters of a helical antenna, it can be seen that a modification of the winding angle influences the pitch of the antenna, and therefore the axial length. Thus it is possible to give a different winding angle for each segment. The height can thus be reduced. Setting up different winding angles can be compared to a change in the pitch of the antenna.
  • the winding angle ⁇ is also a parameter influencing the radiation pattern of an HQI antenna (opening angle at 3dB, ellipticity ratio). This is why, to choose the different suitable angles ⁇ , a global optimization program such as simulated annealing or the genetic algorithm can be used.
  • the synthesis is performed on the radiation patterns in main and cross polarization by introducing a template defined by the amplitude levels and the opening angles -3dB desired.
  • this template allows perfect control of the opening angles at -3dB, as well as the rejection of the polarization therefore reverses the ellipticity ratio.
  • the variables to be optimized are the different winding angles of the strands of the HQI antenna. The algorithm will give the angles ⁇ , optimum.
  • Each of the radiating strands 91, to 91 4 of the antenna 90 presented opposite FIG. 9a is divided for example into eight segments of length,, identical.
  • the radiating strands 91, and parasitic 94, and in particular the segments which make up the radiating strand 91, are illustrated in more detail with reference to FIG. 9b.
  • the parasitic strand 94 is parallel to an inner tangent 97 (that is to say located between the radiating strand 91, and the associated parasitic strand 94,) of the radiating strand 91,.
  • one or more parasitic strands are parallel to an external tangent (that is to say located on the side opposite to the parasitic strand) of the associated radiating strand (which makes it possible to bring the parasitic strand closer to a strand adjacent neighbor) or a center line of the associated radiating strand.
  • one or more parasitic strands form a broken line.
  • each of these parasitic strands comprises the same number of segments as the associated radiating strand and each of the segments of the parasitic strand has the same length and is parallel to a corresponding segment on the associated radiating strand (thus, in addition to a different width, the parasitic strand and the associated radiating strand have the same shape), which makes it possible to position a parasitic strand very close to an adjacent radiating strand.
  • the parasitic strands of a helical antenna are connected by coupling (and not directly) to radiating strands forming a broken line similar to the coupling link presented opposite the figures 7a and 7b.
  • the width of the parasitic strands can take any value less than that of an associated radiating strand and preferably of the order of an eighth of that of an associated radiating strand.
  • the invention can be applied to any type of helical antenna, and not only to quadrilateral antennas.
  • the strands do not all have identical dimensions.
  • the antenna is printed flat, then wound on a support to form the antenna.
  • the substrate intended to receive the printed elements can be produced directly in its final cylindrical shape. In this case, the printing of the strands and of the supply structure is carried out directly on the cylinder.
  • the antenna of the invention also lends itself to the production of antenna arrays.
  • the technique of the invention is compatible with techniques aimed at reducing the size of the antenna, such as in particular that proposed in the patent application in patent document FR-0011830, in the name of France Telecom (helical antenna with variable pitch) or to increase the bandwidth, for example, according to a technique proposed in patent document FR-0011843, in the name of France Telecom (helical antenna with width strands variable).
  • the presence of variable pitch and / or the variation in width can be applied to all the strands, or selectively to some of them.

Abstract

L'invention concerne une antenne hélicoïdale comprenant au moins une hélice formée d'au moins deux brins rayonnants (31). Selon l'invention, au moins un desdits brins rayonnants est associé à un brin parasite (34) de largeur inférieure ou égale au ou aux brins rayonnants de façon à élargir la bande passante de l'antenne.

Description

Antenne hélicoïdale à large bande.
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 de ce type.
L'antenne de l'invention trouve notamment des applications dans le cadre des communications mobiles par satellite entre des utilisateurs fixes et/ou des mobiles de tout type, par exemple aéronautiques, maritimes ou terrestres. Dans ce domaine, plusieurs systèmes de communication par satellite sont mis en œuvre, ou sont actuellement en cours de développement (par exemple les systèmes INMARSAT, INMARSAT-M, GLOBALSTAR (marques déposées),...). Ces antennes présentent également un intérêt dans le déploiement des systèmes de communications personnelles (PCS) par satellites géostationnaires.
Ces systèmes ont pour but de fournir aux utilisateurs terrestres des nouveaux services de communications (multimédia, téléphonie) via les satellites. A l'aide de satellites géostationnaires ou défilants, ils permettent d'obtenir une couverture terrestre globale. Ils doivent être similaires aux systèmes cellulaires terrestres en termes de coût, de performance et de taille. Ainsi, l'antenne située sur le terminal de l'utilisateur est un élément clé du point de vue de la réduction de la taille.
De tels systèmes sont notamment décrits dans les documents d'Howard
Feldman, D.N. Ramana : « An introduction to Inmarsat' s new mobile multimédia service », Sixth International Mobile Satellite Conférence, Ottawa, Junel999, et de J.N. Evans : « Satellite Systems for personal communications », IEEE A-P Magazine, Vol. 39, n° 3, June 1997.
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 ou quasi-hémisphérique. De plus la polarisation doit être circulaire (gauche ou droite) avec un rapport inférieur à 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 et une polarisation circulaire.
Dans ces différents domaines d'application, les antennes doivent en effet présenter les caractéristiques précédentes soit dans une bande passante très large, de l'ordre de 10 % ou plus, soit dans deux sous-bandes voisines correspondant respectivement à la réception et à l'émission.
On connaît déjà, par le document de brevet FR-89 14952 au nom de France Telecom (marque déposée), un type d'antenne quadrifilaire en hélice particulièrement adapté à de telles applications. Une antenne quadrifilaire est formée de quatre brins rayonnants.
Cette antenne, appelée antenne hélice quadrifilaire imprimée (HQI), possède des caractéristiques proches des critères énoncés, dans une bande de fréquence limitée en général à 6 ou à 8 % pour un ROS inférieur à deux.
Un fonctionnement plus large bande peut être obtenu en utilisant des antennes HQI bicouche. Ces antennes sont formées par l' "emboîtement" concentriques de deux hélices quadrifilaires résonnantes coaxiales, couplées électromagnétiquement. L'ensemble fonctionne comme deux circuits résonnants couplés, dont le couplage écarte les fréquences de résonance. On obtient ainsi une antenne hélice quadrifilaire résonnante bicouche, selon la technique décrite dans FR - 89 14952.
Cette technique présente l'avantage de nécessiter un seul système d'alimentation, et de permettre un fonctionnement double bande ou large bande.
En revanche, elle présente l'inconvénient de nécessiter la réalisation de deux circuits imprimés et imbriqués, et, dans le fonctionnement double bande, de n'offrir qu'une faible largeur de bande dans chaque sous-bande. En fonctionnement large bande, la largeur de bande obtenue reste limitée.
Un autre exemple de réalisation est décrit en détail dans le document "Analysis of quadrifilar résonant helical antenna for mobile communications" (analyse de l'antenne hélice quadrifilaire résonnante pour les communications avec les mobiles), par A. Sharaiha et C. Terret (IEE - 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 enroulés sur un support cylindrique transparent du point de vue radioelectrique. Les quatre brins de l'hélice sont ouverts ou court-circuités à une extrémité et connectés électriquement à l'autre extrémité.
Cette antenne nécessite un circuit d'alimentation, qui assure l'excitation des différents brins d'antenne par des signaux de même amplitude en quadrature de phase. Cette fonction peut être réalisée à partir de structures de coupleurs 3dB -90° et d'un anneau hybride. L'ensemble peut être réalisé en circuit imprimé et placé à la base des antennes. On obtient ainsi une alimentation simple mais encombrante.
Comme mentionné plus haut, il est souhaitable que l'antenne (incluant son alimentation) soit de taille et de poids les plus réduits possible, et qu'elle ait un coût le plus faible possible.
Plusieurs approches visant à réduire les dimensions de l'antenne et de son système d'alimentation ont été proposées. On peut notamment citer, à titres d'exemples, les solutions présentées : - dans le document de brevet FR-96 03698, au nom de France Telecom
(antenne hélice à alimentation large bande intégrée) ; dans le document de brevet FR-0011830, au nom de France Telecom (antenne hélicoïdale à pas variable) ; dans le document de brevet FR- 0011843, au nom de France Telecom (antenne hélicoïdale à brins de largeur variable) ; et
- dans l'article de B. Desplanches, A. Sharaiha et C. Terret intitulé « Parametrical study of printed quadrifilar helical antennas with central dielectric rods » (Microwave and Opt. Technol. Letters, Nol. 20, Ν° 4, February 20, 1999). Néanmoins, ces antennes n'offrent pas une très grande largeur de bande. On connaît également dans l'état de la technique des antennes à hélice à éléments rayonnants repliés illustrées respectivement dans un document de brevet US-6,229,499 de la société XM Satellite Radio (marque déposée) et dans un document de brevet US-6,278,414 de la société Qualcomm (marque déposée). Ces antennes possèdent des éléments rayonnants qui sont en partie repliés sur eux- mêmes permettant, ainsi, de réduire leur hauteur. Néanmoins, ces antennes présentent l'inconvénient d'être à bande étroite.
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 hélicoïdale résonante présentant une large bande passante, pouvant couvrir, par exemple, la bande d'émission et la bande de réception d'un système de communication.
Notamment, un objectif de l'invention est de fournir une telle antenne hélicoïdale présentant une largeur de bande importante (supérieure à celle obtenue selon l'art antérieur) dans chaque sous-bande, lorsque deux sous-bandes sont prévues.
Un autre objectif de l'invention est de fournir une telle antenne dont les dimensions, les performances et le coût de revient sont acceptables pour des terminaux portables de systèmes cellulaires terrestres.
Un autre objectif de l'invention est de fournir une antenne de taille réduite tout en ayant un fonctionnement en large bande.
Un objectif de l'invention est également de fournir une antenne relativement simple à fabriquer, et par conséquent de faible coût. Encore un autre objectif de l'invention est de fournir une alternative technique aux solutions de l'art antérieur.
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'une antenne hélicoïdale comprenant au moins une hélice formée d'au moins deux brins rayonnants, au moins un des brins rayonnants étant associé à un brin parasite de largeur inférieure ou égale au ou aux brins rayonnants de façon à élargir la bande passante de l'antenne.
Préférentiellement, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que chacun des brins parasites est relié à la masse. Ainsi, on optimise le fonctionnement de l'antenne et notamment des brins parasites.
Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que les brins rayonnants et les brins parasites sont imprimés sur un substrat. De cette manière, l'antenne hélicoïdale peut être réalisée selon un mode de fabrication à la fois simple, efficace et à faible coût.
Selon une caractéristique préférentielle, l'antenne est remarquable en ce que chacun des brins rayonnants est associé à un brin parasite de largeur inférieure ou égale au brin rayonnant. Ainsi, on obtient un comportement selfique (correspondant à un brin rayonnant et notamment à sa longueur) associé à un comportement capacitif global (correspondant à l'association d'un brin rayonnant et d'un brin parasite et dépendant de la distance entre ces deux brins et du rapport entre leur largeur), le brin parasite étant préférentiellement de faible largeur. Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que le rapport entre la largeur de chacun des brins parasites et la largeur du brin rayonnant associé est inférieur ou égal à 0,15 .
Ainsi, les performances de l'antenne sont optimales notamment dans les bandes voisines de 1 GHz. Préférentiellement, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que chacun des brins parasites est positionné par rapport au brin rayonnant associé de façon à optimiser le couplage entre le brin parasite et le brin rayonnant associé.
Ainsi, un brin parasite et le brin rayonnant associé sont positionnés de façon à optimiser la bande passante, un optimum de couplage étant, s'il existe, dépendant de la distance les séparant. Ainsi, l'antenne possède une meilleure adaptation.
Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que chacun des brins parasites est plus éloigné du brin rayonnant associé que de l'un au moins des autres brins rayonnants. En effet, une optimisation du couplage entre le brin parasite et le brin rayonnant associé est souvent obtenue en éloignant le brin parasite du brin rayonnant associé ; ainsi, plus le brin parasite et le brin rayonnant associé sont éloignés, plus la bande de rayonnement de l'antenne est large.
Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que chacun des brins parasites est parallèle au brin rayonnant auquel il est associé.
Ici, lorsqu'un brin parasite et le brin rayonnant associé sont rectilignes et de largeur constante ou variable, les deux brins sont parallèles si leurs lignes médianes longitudinales sont parallèles. Ici, lorsqu'un brin parasite et/ou le brin rayonnant associé forment une ligne brisée, les deux brins sont considérés comme parallèles si l'une des trois conditions suivantes est respectée : leur lignes médianes longitudinales sont parallèles ; ou leur lignes tangentes extérieures et/ou intérieures suivant le sens de la longueur sont parallèles ; ou
- chacun des segments formant le brin parasite est parallèle à un segment associé du brin rayonnant. Ainsi, chacun des brins parasites et des brins rayonnants associés présentent un effet capacitif. Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que chacun des brins parasites présente sensiblement la même longueur que le brin rayonnant auquel il est associé.
Ainsi, l'antenne est relativement simple à réaliser (et notamment plus simple que si la liaison à la masse à une extrémité du brin parasite se faisait, par exemple, au milieu du cylindre). Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que l'une des extrémités de chacun des brins rayonnants est reliée par une liaison conductrice à l'une des extrémités du brin rayonnant auquel le brin parasite est associé. Ainsi, les brins parasites et les brins rayonnants associés peuvent être gravés sur un même coté de substrat, l'autre coté du substrat étant alors disponible pour une autre utilisation (par exemple, pour la gravure de brins supplémentaires ou d'une autre antenne hélice).
Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que l'une des extrémités de chacun des brins rayonnants est reliée par couplage à l'une des extrémités du brin rayonnant auquel le brin parasite est associé.
Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que les brins rayonnants sont imprimés sur une première face d'un substrat et en ce que les brins parasites sont imprimés sur une deuxième face du substrat.
Ainsi, la fabrication de l'antenne est simplifiée puisque l'alimentation
(reliée notamment à un brin rayonnant) et la masse (reliée notamment à un brin parasite) ne sont pas nécessairement présents sur le même coté du substrat. Des trous métallisés permettant le passage de la masse du coté de l'alimentation ne sont donc pas indispensables.
Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce qu'au moins un brin parasite et un brin rayonnant voisin du brin rayonnant auquel le brin parasite est associé se chevauchent. Ainsi, la distance entre un brin parasite et le brin rayonnant associé est plus grande que celle séparant deux brins rayonnants voisins. Cela permet notamment d'obtenir plus de marge pour le réglage du couplage entre un brin parasite et le brin rayonnant associé et donc de trouver plus facilement un optimum pour améliorer la bande passante. Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que l'extrémité des brins rayonnants non reliée à un brin parasite est connectée à une ligne d'attaque d'un circuit d'alimentation.
Ainsi, le fonctionnement de l'antenne est optimisé. Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce qu'au moins une des hélices est une hélice quadrifilaire, comprenant quatre brins.
De cette façon, on obtient une bonne pureté de polarisation circulaire.
En outre, pour certains cas, l'ouverture de l'antenne est très large, le diagramme de rayonnement étant quasi hémisphérique.
Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que les brins rayonnants formant une hélice présentent tous les mêmes dimensions et en ce que les brins parasites présentent tous les mêmes dimensions. Ainsi, on obtient une meilleure polarisation circulaire, la symétrie des brins étant bonne. De plus, les brins possèdent une même distribution de courant déphasée de 90°.
Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce qu'au moins un des brins rayonnants et/ou parasites est formé d'au moins deux segments, les angles d'enroulement d'au moins deux des segments étant différents et déterminés de façon aléatoire ou pseudo-aléatoire à l'aide de moyens d'optimisation globale.
Ainsi, la ligne formée par chacun des brins rayonnant et/ou parasites est brisée ce qui permet de réduire la taille de l'antenne tout en conservant de bonnes performances.
Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce qu'au moins un des brins rayonnants et/ou parasites présente une largeur variable, variant de façon régulière et monotone entre une largeur maximale et une largeur minimale. De cette manière, l'adaptation de l'antenne est simplifiée, un paramètre supplémentaire de réglage étant disponible pour cette adaptation.
Selon une caractéristique particulière, l'antenne hélicoïdale est remarquable en ce que les brins rayonnants présentent une longueur sensiblement différente d'un multiple de la longueur d'onde correspondant à la fréquence moyenne de la bande d'émission de l'antenne, divisée par 4.
Ainsi, on peut jouer sur l'ouverture de l'antenne contrairement aux antennes connues du type dipôles avec brin parasite, qui ont une longueur multiple de λ/4 où λ représente la longueur d'onde d'émission de l'antenne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement 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 :
- Les figures 1 et 2 illustrent une antenne hélice quadrilifaire de type connu, à brins classiques de largeur constante, respectivement lorsque l'hélice est développé (figure 1) et lorsqu'elle est enroulée sur un support cylindrique (figure 2) ;
- La figure 3 est un exemple d'hélice selon l'invention, sous sa forme développée ; - La figure 4 présente une vue de face de l'hélice de la figure 3, enroulée sur son support cylindrique ;
- La figure 5 illustre un exemple de ROS mesuré à l'entrée d'un brin pour une antenne selon l'invention ;
- La figure 6 est une abaque de Smith représentant l'impédance d'entrée d'une antenne selon l'invention ;
- Les figures 7a et 7b illustrent une variante de l'invention selon laquelle des brins rayonnants et des brins parasites associés sont couplés en étant imprimés sur deux faces opposées d'un substrat ; La figure 8 présente un exemple d'antenne selon une variante de l'invention selon laquelle des brins rayonnants sont de largeur variable ; et
Les figures 9a et 9b montrent un exemple d'antenne selon une autre variante de l'invention présentant des brins rayonnants formant une ligne brisée.
Les figures 1 et 2 présentent une antenne hélice quadrilifaire classique, telle que déjà discutée en préambule. Elle comprend quatre brins 11 , à 114 de longueur
L2 et de largeur d. Ces brins rayonnants sont imprimés sur un substrat diélectrique 12 de faible épaisseur enroulé ensuite sur un support cylindrique 13 transparent du point de vue radioelectrique, de rayon r, de circonférence c et de longueur axiale
Ll, et a étant l'angle d'enroulement.
Classiquement, l'antenne nécessite un circuit d'alimentation qui assure l'excitation des différents brins par des signaux de même amplitude et en quadrature de phase. Cette fonction peut être obtenue à partir de structures de coupleurs 3dB -90° et d'un anneau hybride, réalisée en circuit imprimé et placé à la base des antennes.
La figure 3 présente un exemple d'hélice 30 selon l'invention, sous sa forme développée. L'antenne HQI 30 comporte donc 4 brins rayonnants conducteurs 31, à 314 régulièrement espacés, imprimés sur un substrat 32 et de largeur égale à Wa.
Les quatre brins 31, à 314 sont repliés sur eux mêmes à l'une de leur extrémité respectivement 36, à 364 en formant chacun un brin parasite respectivement 34, à
344 et connectés à l'autre extrémité aux lignes d'attaque du circuit d'alimentation
33. Les brins parasites 34, à 344 ont une largeur Wbr inférieure à la largeur, Wa, des brins rayonnants afin de garantir un fonctionnement en large bande de l'antenne. Les brins parasites 34, à 344 sont connectés à la masse 35 à l'extrémité opposée à l'extrémité respectivement 36, à 364. Dans le mode de réalisation décrit en regard de la figure 3, la largeur, Wbr, des brins parasites et la largeur, Wa, des brins rayonnants sont constantes. L'antenne 30 est ensuite enroulée sur un support cylindrique, comme illustrée sur la figure 4, qui présente une vue de face de l'antenne enroulée sur son support cylindrique.
On décrit maintenant en détail un mode de réalisation particulier de l'invention. Bien entendu, il ne s'agit que d'un simple exemple, et de nombreuses variantes et adaptations sont possibles, en fonction des besoins et des applications.
L'antenne réalisée et illustrée en regard des figures 3 et 4 présente les caractéristiques suivantes :
Longueur des brins : 0,83λ où λ représente la longueur d'onde correspondant à la fréquence moyenne de la bande d'émission (cette longueur ayant été choisie pour optimiser l'ouverture de l'antenne) ; - Diamètre : 0,18λ ; Distance d : 9 mm ; Largeur Wbr : 1 ,95 mm - Rapport des largeurs de brin W Wbr : 8.
Angle d'enroulement, : 50°. Généralement, la bande de l'antenne s'élargit lorsque la distance d augmente. Préférentiellement, le brin parasite est donc proche du brin rayonnant voisin. D'une manière générale, il existe un optimum de bande passante en fonction de la distance entre un brin parasite et le brin rayonnant associé.
La figure 5 permet de visualiser le ROS 52 mesuré en fonction de la fréquence 50 (exprimé en GHz sur la figure) mesurée à l'entrée d'un brin rayonnant pour l'antenne 30 illustrée en regard des figures 3 et 4, les autres étant chargés sous 50Ω.
Les antennes sont mesurées à la fréquence centrale FI égale à 1.5 GHz.
On constate que pour l'antenne HQI à brin replié selon l'invention, on obtient une adaptation de l'antenne HQI inférieure à -lOdB sur l'intervalle allant de 1,27GHz à 1,65 GHz, soit une bande passante qui atteint 26%. Ainsi, l'antenne HQI présente une augmentation significative de la bande passante. On passe en effet d'une bande passante de l'ordre 6 à 8 % pour une antenne HQI conventionnelle à une bande passante de l'ordre de 26% pour une antenne telle qu'illustrée en regard des figures 3 et 4.
Ainsi, l'antenne hélice quadrifilaire imprimée repliée dont chaque brin parasite est relié à la masse permet l'émission et/ou la réception dans une large bande passante ou dans deux sous-bandes différentes possédant chacune une large bande passante.
La technique de l'invention donne donc une augmentation non négligeable de la bande passante. On obtient ainsi une antenne hélice quadrilifaire imprimée fonctionnant dans une large bande passante et/ou dans deux sous-bandes différentes ayant chacune une large bande passante, et dont la hauteur est réduite.
L'antenne hélice quadrifilaire imprimée repliée avec des brins parasites reliés à la masse permet donc une augmentation de la bande passante de l'antenne sans réduction des longueurs de brins. La figure 6 est une abaque de Smith représentant l'impédance 60 d'entrée d'une antenne selon l'invention normalisée à 50 Ohms.
Une boucle 61 sur la courbe 60 est issue du couplage et donne la large bande puisque présente à l'intérieur d'un cercle 62 correspondant à un ROS inférieur ou égal à 2. La figure 7a présente un exemple d'hélice 70 selon une variante de l'invention, sous sa forme développée. L'antenne HQI 70 comporte donc 4 brins rayonnants conducteurs 71, à 714 régulièrement espacés, imprimés sur une première face du substrat 72 et de largeur égale à Wa. Les quatre brins 71 , à 714 sont connectés à l'une de leur extrémité aux lignes d'attaque du circuit d'alimentation 73.
Des brins parasites 74, à 744 (représentés en pointillés) sont imprimés parallèlement aux brins rayonnants sur une seconde face du substrat 72 opposée à la première face. Les brins parasites 74, à 744 sont connectés à la masse 75 à l'une de leur extrémité respectivement 71, à 714. Chacun des brins parasites 74, à 744 est couplé par son extrémité respectivement 75, à 754 non reliée à la masse 75, à l'extrémité non reliée à l'alimentation du brin respectivement 71, à 714 auquel il est associé. Les brins parasites 74, à 744 ont une largeur Wbr inférieure ou égale et, préférentiellement très inférieure (dans un rapport Wbr Wa inférieur à 0,15), à la largeur, Wa, des brins rayonnants afin de garantir un fonctionnement en large bande de l'antenne. Dans le mode de réalisation décrit en regard des figures 7a et 7b, la largeur, Wbr, des brins parasites et la largeur, Wa, des brins rayonnants sont constantes.
Ici, la distance séparant un brin parasite et le brin rayonnant associé n'est pas limitée par la distance séparant deux brins rayonnants. Ainsi, la distance entre un brin parasite et le brin rayonnant peut être supérieure à la distance séparant deux brins rayonnants. Le couplage entre un brin parasite et le brin rayonnant associé et donc la bande passante peuvent être alors améliorés. On possède alors plus de possibilités dans la recherche de couplage optimum. La figure 7b illustre en détail l'extrémité 751 du brin rayonnant 711 couplée au brin parasite 741. D'une manière générale, chacun des brins parasites et le brin rayonnant associé se chevauchent de part et d'autre du substrat 72 sur une distance E comprise entre 0 et la distance d séparant le brin parasite du brin rayonnant associé. Les autres caractéristiques de l'antenne 70 (enroulement autour d'un support cylindrique, dimensions des brins et de l'antenne...) étant similaires à celle de l'antenne 30 des figures 3 et 4, elles ne seront pas décrites davantage.
La figure 8 présente un exemple d'antenne 80 selon une variante de l'invention selon laquelle des brins rayonnants 81, à 814 sont de largeur variable. Chacun des brins rayonnants 81 , à 814 est relié par l'une de ses extrémités à un brin parasite 84, à 844.
Ce mode de réalisation a notamment pour objectif d'obtenir une antenne HQI 80 permettant d'élargir encore plus la bande passante et/ou de permettre une meilleure adaptation de l'antenne 80 (la variation de la largeur de la bande étant un paramètre supplémentaire utilisable pour l'adaptation). Ceci est obtenu en faisant varier la largeur des brins rayonnants le long de l'hélice. Ainsi, les extrémités des brins rayonnants ont respectivement une largeur Wa, et Wa2 différente. La variation de la largeur peut être : régulière suivant une loi linéaire, exponentielle, double exponentielle, en escalier... ou non régulière. Préférentiellement, la largeur des brins parasites est constante et chacun des brins parasites est parallèle à une ligne médiane longitudinale du brin rayonnant associé (illustrée, par exemple, par la ligne 87 correspondant au brin 81,).
A titre illustratif, chacun des brins rayonnant de l'antenne 80 présente une largeur minimale Wa, égale à 2mm et une largeur maximale Wa2 égale à 16 mm.
A l'exception de la largeur des brins rayonnants, les caractéristiques de l'antenne 80 étant similaires à celles de l'antenne 30 illustrée en regard des figures 3 et 4, elles ne seront pas décrites davantage.
Selon une variante de l'invention non illustrée, les brins parasites d'une antenne hélicoïdale sont couplés et non reliés directement à des brins rayonnants de largeur variable, similaires aux brins 81, à 814 de l'antenne 80 (selon un couplage similaire à celui des brins rayonnants et parasites de l'antenne 70). Selon une autre variante de l'invention, la largeur des brins parasites est variable, les lignes médianes longitudinales de chacun des brins parasites et du brin rayonnant associé sont parallèles.
Selon encore une autre variante non représentée, les brins parasites sont parallèles à l'un des cotés des brins rayonnants. Un brin parasite parallèle à un brin rayonnant adjacent permet, notamment, d'éloigner ce brin parasite du brin rayonnant associé tout en le rapprochant du brin adjacent augmentant ainsi l'effet capacitif et la bande passante de l'antenne.
D'une manière générale, les brins parasites et les brins rayonnants sont reliés par un seul point de liaison. La figure 9a montre un exemple d'antenne 90 selon une autre variante de l'invention présentant des brins rayonnants 91, à 914 formant une ligne brisée.
Chacun des brins rayonnants 91, à 914 est reliés par l'une de ses extrémités à un brin parasite 94, à 944. Chaque brin rayonnant 91, à 914 (ou au moins certains) de l'antenne HQI est décomposé en un nombre limité de segments. D'après les expressions mathématiques liant les paramètres géométriques d'une antenne hélice, on constate qu'une modification de l'angle d'enroulement influe sur le pas de l'antenne, donc sur la longueur axiale. Ainsi il est possible de donner un angle d'enroulement différent pour chaque segment. La hauteur peut ainsi s'en trouver réduite. Instaurer des angles d'enroulement différents peut être assimilé à un changement du pas de l'antenne.
Cependant, l'angle d'enroulement α est aussi un paramètre influant sur le diagramme de rayonnement d'une antenne HQI (angle d'ouverture à 3dB, rapport d'ellipticite). C'est pourquoi, pour choisir les différents angles α adéquats, un programme d'optimisation globale tel que le recuit simulé ou l'algorithme génétique peut être utilisé.
La synthèse est effectuée sur les diagrammes de rayonnement en polarisation principale et croisée en introduisant un gabarit défini par les niveaux d'amplitude et les angles d'ouverture -3dB voulus.
La mise en place de ce gabarit permet de contrôler parfaitement les angles d'ouverture à -3dB, ainsi que la réjection de la polarisation inverse donc le rapport d'ellipticite. Les variables à optimiser sont les différents angles d'enroulement des brins de l'antenne HQI. L'algorithme donnera les angles α, optimum.
Chacune des brins rayonnant 91 , à 914 de l'antenne 90 présenté en regard de la figure 9a est divisé par exemple en huit segments de longueur, , identique. Les angles d'enroulement correspondant à chacun des huit segments des brins rayonnant de l'antenne 90 sont les suivants : - α, = 30° ; α2 = 33° α3 = 55° 4 = 34° α5 = 65° α6 = 68°
- α7 = 54° et
- α8 = 33°.
Les brins rayonnant 91 , et parasite 94, et en particulier les segments qui composent le brin rayonnant 91, sont illustrés plus en détail en regard de la figure 9b.
On obtient ainsi une antenne HQI 90 à pas variable aléatoire avec des dimensions réduites.
Bien entendu, en fonction des besoins des contraintes différentes peuvent être prises en compte lors de l'optimisation. Ainsi une modification des angles d'enroulement permet d'une part de diminuer la longueur axiale de l'antenne HQI et d'autre part d'obtenir le rapport d'ellipticite et la couverture souhaités.
Selon la figure 9b, le brin parasite 94, est parallèle à une tangente 97 intérieure (c'est-à-dire située entre le brin rayonnant 91, et le brin parasite associé94 , ) du brin rayonnant 91,.
Selon une variante non illustrée, un ou plusieurs brins parasites sont parallèles à une tangente extérieure (c'est-à-dire située du coté opposé au brin parasite) du brin rayonnant associé (ce qui permet de rapprocher le brin parasite d'un brin adjacent voisin) ou à une ligne médiane du brin rayonnant associé. Selon une autre variante non illustrée, un ou plusieurs brins parasites forment une ligne brisée. Préférentiellement, chacun de ces brins parasites comporte le même nombre de segments que le brin rayonnant associé et chacun des segments du brin parasite a la même longueur et est parallèle à un segment correspondant sur le brin rayonnant associé (ainsi, outre une largeur différente, le brin parasite et le brin rayonnant associé ont la même forme), ce qui permet de positionner un brin parasite très près d'un brin adjacent rayonnant.
Selon encore une autre variante de l'invention non illustrée, les brins parasites d'une antenne hélicoïdale sont reliés par couplage (et non directement) à des brins rayonnants formant une ligne brisée de façon similaire à la liaison par couplage présentée en regard des figures 7a et 7b.
De nombreuses variantes des modes de réalisation illustrés en regard des figures 3 à 9 sont envisageables.
En particulier, il convient de rappeler que la largeur des brins parasites peut prendre une valeur quelconque inférieure à celle d'un brin rayonnant associé et préférentiellement de l'ordre du huitième de celle d'un brin rayonnant associé.
Par ailleurs, bien que l'invention peut s'appliquer à tout type d'antenne en hélice, et non uniquement aux antennes quadrilifaires.
On peut également envisager que les brins ne présentent pas tous des dimensions identiques.
Selon le mode de réalisation décrit, l'antenne est imprimée à plat, ensuite enroulée sur un support pour former l'antenne. 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 effectuée 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 également à la réalisation de réseaux d'antennes.
Il est également possible de montrer coaxialement et concentriquement deux (ou plus) antennes de ce type. Enfin, la technique de l'invention est compatible avec des techniques visant à réduire la taille de l'antenne, telle que notamment celle proposée dans la demande de brevet dans le document de brevet FR-0011830, au nom de France Telecom (antenne hélicoïdale à pas variable) ou à augmenter la largeur de bande, par exemple, selon une technique proposée dans le document de brevet FR-0011843, au nom de France Telecom (antenne hélicoïdale à brins de largeur variable). Dans ces différents cas, la présence de pas variable et/ou la variation de largeur peut être appliquée sur tous les brins, ou sélectivement sur certains d'entre eux.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne hélicoïdale (30, 70, 80, 90) comprenant au moins une hélice formée d'au moins deux brins rayonnants (31, 71, 81, 91), caractérisée en ce qu'au moins un desdits brins rayonnants est associé à un brin parasite (34, 74, 84, 94) de largeur inférieure ou égale audit ou auxdits brins rayonnants de façon à élargir la bande passante de ladite antenne.
2. Antenne hélicoïdale selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun desdits brins parasites est relié à la masse (35, 75, 85, 95).
3. Antenne hélicoïdale selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que lesdits brins rayonnants et lesdits brins parasites sont imprimés sur un substrat (32, 72, 82, 92).
4. Antenne hélicoïdale selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chacun desdits brins rayonnants est associé à un brin parasite de largeur inférieure ou égale audit brin rayonnant.
5. Antenne hélicoïdale selon la revendication 4, caractérisée en ce que le rapport entre la largeur de chacun desdits brins parasites et la largeur dudit brin rayonnant associé est inférieur ou égal à 0,15 .
6. Antenne hélicoïdale selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que chacun desdits brins parasites est positionné par rapport audit brin rayonnant associé de façon à optimiser le couplage entre ledit brin parasite et ledit brin rayonnant associé.
7. Antenne hélicoïdale selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chacun desdits brins parasites est plus éloigné dudit brin rayonnant associé que de l'un au moins desdits autres brins rayonnants.
8. Antenne hélicoïdale selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chacun desdits brins parasites est parallèle au brin rayonnant auquel il est associé.
9. Antenne hélicoïdale selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que chacun desdits brins parasites présente sensiblement la même longueur que le brin rayonnant auquel il est associé.
10. Antenne hélicoïdale selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'une des extrémités de chacun desdits brins rayonnants est reliée par une liaison conductrice (36, 86, 96) à l'une des extrémités dudit brin rayonnant auquel ledit brin parasite est associé.
11. Antenne hélicoïdale (70) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'une des extrémités (75) de chacun desdits brins rayonnants est reliée par couplage à l'une des extrémités dudit brin rayonnant auquel ledit brin parasite est associé.
12. Antenne hélicoïdale selon la revendication 11, caractérisée en ce que lesdits brins rayonnants sont imprimés sur une première face d'un substrat et en ce que lesdits brins parasites sont imprimés sur une deuxième face dudit substrat.
13. Antenne hélicoïdale selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'au moins un brin parasite et un brin rayonnant voisin dudit brin rayonnant auquel ledit brin parasite est associé se chevauchent.
14. Antenne hélicoïdale selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que l'extrémité desdits brins rayonnants non reliée à un brin parasite est connectée à une ligne d'attaque d'un circuit d'alimentation (33, 73, 83, 93).
15. Antenne hélicoïdale selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 caractérisée en ce qu'au moins une des desdites hélices est une hélice quadrifilaire, comprenant quatre brins.
16. Antenne hélicoïdale selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisée en ce que lesdits brins rayonnants formant une hélice présentent tous les mêmes dimensions et en ce que lesdits brins parasites présentent tous les mêmes dimensions.
17. Antenne hélicoïdale (90) selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce qu'au moins un desdits brins rayonnants et/ou parasites est formé d'au moins deux segments, les angles d'enroulement d'au moins deux desdits segments étant différents et déterminés de façon aléatoire ou pseudoaléatoire à l'aide de moyens d'optimisation globale.
18. Antenne hélicoïdale (80) selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce qu'au moins un desdits brins rayonnants et/ou parasites présente une largeur variable, variant de façon régulière et monotone entre une largeur maximale et une largeur minimale.
19. Antenne hélicoïdale selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisée en ce que lesdits brins rayonnants présentent une longueur sensiblement différente d'un multiple de la longueur d'onde correspondant à la fréquence moyenne de la bande d'émission de ladite antenne, divisée par 4.
PCT/FR2003/002774 2002-09-20 2003-09-19 Antenne hélicoïdale à large bande WO2004027930A1 (fr)

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