Antenne volumique omnidirectïonnelle

Le domaine de l'invention est celui des antennes volumiques omnidirectionnelles telles que les antennes biconique ou discone, auxquelles l'ajout d'éléments dans la zone de formation du diagramme de rayonnement permet une sectorisation de l'espace angulaire azimutal. De manière générale une antenne biconique est obtenue par la superposition de deux cônes mis en regard par leur extrémité pointue, l'alimentation s'effectuant par le centre des cônes. La forme des cônes permet de déterminer une zone d'évasement progressif où l'onde se propage. Cette zone d'évasement peut être de formes diverses et peut notamment offrir un contour tels que ceux utilisés pour des antennes de type « Vivaldi » avec des profils quasi-shérique; ce contour peut tout aussi bien être réduit à une simple droite. L'antenne discône est, elle, réaiisée au moyen d'un plan réflecteur sur lequel un cône est disposé, cette association présente sensiblement les mêmes caractéristiques que l'antenne bi-conique en terme de performances.

Il est connu des antennes omnidirectionnelles comportant deux éléments conducteurs de type cône Ci et plan P ₂ comme illustré en figure 1 , dans laquelle l'âme centrale du câble coaxial est en contact avec le cône supérieur tandis que le plan inférieur est en contact avec la masse extérieure du câble coaxial d'alimentation.

Il est également connu des antennes comportant deux cônes Ci et C ₂ avec deux câbles coaxiaux Li et L ₂ (illustrée en figure 2a) ou comme décrit dans la demande de brevet publiée 2 246 090, une antenne comportant deux cônes 1 , 2 dans laquelle il est proposé d'intégrer un élément coaxial central 3,4 et de le connecter aux portions de cône, électriquement via deux réseaux de conducteurs 5,6 le tout étant noyé dans un matériau 7 (illustrée en figure 2b).

Les antennes omnidirectionnelles de l'art connu peuvent présenter une bonne directivité dans l'ensemble des directions dans un plan azimutal mais ne permettent pas de bénéficier de latitude pour influencer de manière préférentielle la directivité dans un sous-ensemble de directions. La transition sans contact permet alors de faciliter l'intégration de l'antenne.

11 est également connu et notamment décrit dans ia demande de brevet EP 1 460 717, une antenne omnidirectionnelie, dans laquelle la directivité de l'antenne peut être modifiée par variation du champ électrique au niveau de la source d'excitation de celle-ci, ce au moyen de diodes de commutation. Dans ce contexte, la présente invention propose une antenne intégrant une transition sans contact en trois dimensions entre une ligne excitatrice coaxiale et deux éléments conducteurs présentant une symétrie de révolution, correspondant à la transposition en trois dimensions d'une transition planaire ligne micro-ruban/iigne à fente et présentant des éléments modificateurs du rayonnement de l'antenne dans au moins une partie évasée de l'antenne.

Plus précisément l'invention a pour objet une antenne omnidirectionnelie à large bande comportant au moins un premier élément conducteur et un second élément conducteur présentant une symétrie de révolution autour d'un axe commun de révolution et des ouvertures centrales, lesdits éléments étant positionnés en regard l'un de l'autre, au moins un des éléments présentant une zone d'évasement progressif caractérisée en ce qu'elle comprend une ligne excitatrice coaxiaie centrale et un espace entre les deux éléments conducteurs de manière à réaliser une transition sans contact en trois dimensions entre la ligne excitatrice coaxiale et les éléments conducteurs et des éléments modificateurs du diagramme de rayonnement dans Ia zone d'évasement.

Selon une variante de l'invention, l'un des éléments conducteurs est plan. Selon une variante de l'invention, au moins un des éléments conducteurs est un cône.

Selon une variante de l'invention, le plus petit diamètre du cône est de plus grande dimension que la section de la ligne excitatrice coaxiale.

Selon une variante de l'invention, au moins un des éléments conducteurs est une demi-sphère.

Selon une variante de l'invention, les éléments modificateurs comportent des diodes pouvant commuter d'un état conducteur passant à un état isolant ou des composants de type MEMS.

Selon une variante de l'invention, au moins un des éléments conducteurs comprend des secteurs isolants radiaux supportant les éléments modificateurs.

Avantageusement, au moins un des éléments conducteurs comportant des secteurs isolants est en plastique et comporte des parties métallisées.

Avantageusement, les éléments modificateurs sont alimentés par des pistes imprimées directement sur l'élément en plastique comportant des parties métallisées. Selon une variante de l'invention, l'antenne comporte en outre des tiges métalliques reliant les deux éléments conducteurs de manière à assurer une continuité de masse.

Selon une variante de l'invention, l'antenne comporte au moins une pièce pleine isolante dans laquelle est réalisé un élément conducteur présentant une zone d'évasement progressif.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre un premier exemple d'antenne omnidirectionnelle selon l'art connu ;

- les figures 2a et 2b illustrent deux autres exemples d'antenne omnidirectionnelle selon l'art connu ;

- la figure 3 illustre une structure d'antenne selon l'invention comportant deux éléments coniques et une ligne coaxiale centrale ;

- les figures a et 4b illustrent respectivement une vue en perspective et une vue en coupe d'un exemple d'antenne selon l'invention et comportant des éléments modificateurs du diagramme de rayonnement ;

- les figures 5a, 5b et 5c illustrent respectivement les diagrammes de rayonnement de l'antenne illustrée en figure 4a et 4b selon une vue en trois dimensions, une vue dans le plan azimutai et une vue dans le plan d'élévation ;

- la figure 6 illustre les pertes par réflexion de ['antenne illustrée en figure 4a et 4b ;

- la figure 7 illustre une variante dans laquelle les cônes présentent un élargissement de l'ouverture centrale par rapport à la dimension de la ligne excitatrice centrale ;

- la figure 8 illustre une variante de l'invention dans laquelle les éléments conducteurs sont réalisés dans une pièce pleine en plastique ;

- les figures 9a et 9b illustrent une variante de l'invention dans laquelle l'un des éléments conducteurs est plan ;

- la figure 10 illustre une n variante de l'invention dans laquelle les éléments conducteurs sont des demi-sphères.

De manière générale, l'antenne selon l'invention comporte au moins un premier élément de forme évasée et conducteur et un second élément également conducteur pouvant également être de forme évasée ou de forme plane. L'ensemble constitué pas ces deux éléments est couplé à une ligne excitatrice centrale coaxiale. Cette iigne excitatrice comprend une tige centrale métallique qui assure la fonction d'alimentation de l'antenne en ramenant un court circuit au niveau de l'ouverture entre les deux éléments conducteurs afin de permettre le couplage entre l'accès de type coaxial et l'ensemble constitué par les deux éléments conducteurs. Ce court-circuit est réalisé en plaçant un « circuit ouvert » à une distance de λ/4 à l'extrémité de la tige métallique. La hauteur au dessus de l'extrémité de cette tige centrale est également un paramètre de réglage de l'adaptation de l'antenne.

La figure 3 détaille un exemple de structure d'antenne omnidirectionnelle, comportant plus précisément un premier élément de forme conique C _c i , un second élément de forme conique C _C2 , une iigne excitatrice coaxiale centrale L _c . Chaque élément conducteur présente une ouverture centrale O ₁ , O ₂ permettant l'insertion de la ligne excitatrice au sein desdits éléments et une symétrie de révolution autour d'un axe central A ₀ . Cette ligne excitatrice comprend une tige centrale métallique Lc-i, la longueur de pénétration de cette tige centrale au niveau du premier élément conducteur est typiquement de l'ordre de λ/4 afin de ramener un court circuit au niveau de l'ouverture de l'antenne biconique. Par ailleurs l'espacement e

selon la direction verticale Dz entre les deux éléments coniques permet le couplage entre ie mode de la ligne excitatrice coaxiale et le mode de l'ensemble constitué par les deux cônes.

Typiquement l'espacement e selon la direction Dz peut être de l'ordre de 4mm. Les éléments coniques peuvent présenter un rayon de 15 mm, la structure mesurant environ 48 mm. Selon l'invention, l'antenne comprend en outre des éléments modificateurs du diagramme de rayonnement Ri, (éléments directeurs et réflecteurs) dans la zone d'évasement de l'antenne volumique comme illustrée en figures 4a et 4b. Ces éléments sont avantageusement des éléments semiconducteurs pouvant passer d'un état isolant à un état conducteur et qui s'insèrent dans la zone d'évasement de l'antenne volumique. Ils sont alimentés par des pistes imprimées pi reliées à un circuit de contrôle et positionnées sur des secteurs isolants intégrés à l'un des éléments conducteurs constitutifs de l'antenne volumique. Ces éléments représentés par des tiges métalliques sur les schémas des figures 6a, 6b (configuration à 4 secteurs) peuvent être par exemple des composants comme des diodes PIN, des diodes varactor ou encore des composants de type MEMS qui sont reliés à un circuit de contrôle placé sous la structure. Les éléments modificateurs sont représentés schématiquement par des lignes discontinues lorsqu'ils sont dans un état bloquant. Ces composants sont disposés de telle manière à pouvoir générer un court circuit à une distance de λg/4 (avec λg =longueur d'onde guidée entre les deux cônes) du centre du cône où se situe la tige centrale métallique du câble coaxial afin de générer un couplage maximal et d'assurer le passage de l'énergie du câble coaxial à l'antenne biconique. Ces composants sont donc soit dans un état permettant de réaliser un court circuit afin de relier électriquement les masses des deux cônes entre elles et de ce fait de se comporter comme un élément réflecteur, soit dans un état rendant ces composants des éléments directeurs. Le contrôle des états de ces multiples composants permet une sectorisation de l'espace. Leur nombre détermine également le nombre de secteurs pouvant être couverts par le système.

La configuration précédente a été décrite avec quatre secteurs, on peut avantageusement jouer sur le nombre de secteurs, typiquement il est

intéressant d'en réaliser huit pour moduler davantage le diagramme de rayonnement de l'antenne selon l'invention.

Par ailleurs, l'élément conducteur comportant des secteurs isolants et des secteurs conducteurs peut avantageusement être une pièce en plastique sur laquelle sont réaiisés des secteurs métallisés S _d . La pièce principale en plastique peut être interconnectée au circuit au moyen d'un système mécanique de clips ou de picots, elle peut également être reportée par exemple par soudure. La continuité de masse entre les cônes est assurée au moyen de tiges métalliques Mi reliant les deux éléments C _c i et C _c2 .

Ainsi, la possibilité au sein d'un unique bloc antenne d'intégrer une fonction de sectorisation offre un gain de place très conséquent. D'un point de vue réalisation, le recours à la technologie plastique, qui offre une voie de réalisation du système antennaire de type bi-conique ou discone, autorise grâce à la dualité et la versatilité du matériau plastique de pouvoir utiliser le plastique comme support de propagation de l'énergie et de ce fait ouvre de nouvelles perspectives en terme de gain de place, de poids et de facilité d'interconnexion avec le reste de la chaîne de communication.

Exemple de réalisation de l'antenne omnidirectionneile illustrée en figure 4a et 4b comportant quatre secteurs et calibrée pour être opérationnelle à 5 GHz :

Cette antenne comprend une pièce principale en trois dimensions réalisée en technologie « plastique métallisé» qui constitue le support du dispositif antennaire « de référence » et qui comprend dans une configuration « traditionnelle » deux cônes en plastique positionnés de manière tête-bêche, avec un trou central afin de permettre l'alimentation de l'antenne qui peut-être réalisée par exemple au moyen d'un accès de type câble coaxial. La hauteur de cette pièce principale dans cet exemple est de

48 mm, le rayon des cônes de 20 mm pour un fonctionnement à 5GHz.

L'espace entre les deux cônes réglée à 4mm dans cet exemple, est un paramètre important d'optimisation, cette ouverture joue un rôle dans le système d'alimentation de l'antenne qui est réalisée par un couplage entre le mode du câble coaxial et le mode de l'antenne biconique. Cette méthode

d'alimentation s'apparente à un système d'alimentation de type transition câble coaxial-iigne à fente transposé dans une configuration en trois dimensions.

La présence et surtout le contrôle des éléments réflecteurs permettent d'éclairer des secteurs donnés et de manière séiective l'espace grâce à l'utilisation d'un unique dispositif central. Ceci est illustré avec une structure à quatre secteurs isolants comportant de tels éléments et grâce aux figures 5a, 5b et 5c relatives à ce type d'antenne présentant des diagrammes de rayonnement à 5GHz. Ces diagrammes sont présentés en figure 5a (vue en trois dimensions), 5b (vue dans le plan azimutal) et 5c (vue dans le plan d'élévation). La directivité est de 4.92dB, la largeur de faisceau à -3dB est de 90° en élévation et 160° dans le plan azimutal pour un rapport avant- arrière inférieur à -8dB.

Cet exemple de structure réalisée pour fonctionner à 5GHz, présente typiquement des pertes par réflexion illustrées en figure 6.

Selon une variante de l'invention illustrée en figure 7, l'antenne omnidirectionnelie présente un élargissement du petit diamètre du cône x _c par rapport aux dimensions du cylindre extérieur du câble coaxial d'alimentation XL et plus précisément par rapport à ia zone évidée cylindrique constituant la paroi externe du câble coaxial. Cette variante présente l'intérêt d'une fabrication plus simple compte tenu notamment des contraintes de moulage lorsque l'on utilise une pièce en matière plastique.

Selon une variante de l'invention, l'antenne omnidirectionnelle comporte des pièces non plus évidées comme dans les variantes précédemment décrites mais des pièces constituées de plastique « plein » , permettant de renforcer ia tenue mécanique de ladite antenne. La figure δillustre cette configuration. Les éléments conducteurs C _d et Cc ₂ sont alors réalisés à l'intérieur de ladite pièce en plastique P.

Selon une variante de l'invention, l'antenne est une antenne discone présentant un faible encombrement en raison d'un des éléments conducteurs qui est plan en regard du premier élément conducteur. Comme illustré en figure 9a et 9b, l'antenne comporte un cône supérieur métallisé à

l'intérieur Cci, un plan de masse réflecteur Pc ₂ avec un accès vers le câble coaxial Lc, une ouverture entre le cône et le plan de masse réflecteur.

Seion une variante de l'invention illustrée en figure 10, les pièces conductrices comportent un contour de la zone d'évasement tel que ceux rencontrées pour des antennes de type « Vivaldi » avec des profils quasi sphérique et donc constitués de deux demi-sphères Sci et Sc2 couplées à la ligne excitatrice coaxiale l_ _c .