FR2652453A1 - Antenne coaxiale a fentes du type a alimentation a ondes progressives. - Google Patents
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Abstract
Antenne coaxiale à fentes du type à alimentation à ondes progressives comprenant un conducteur central (1b) s'étendant sur une certaine longueur; un conducteur externe cylindrique entourant coaxialement le conducteur central; et plusieurs fentes (2a, 2b), prévues dans le conducteur externe à un certain angle d'inclinaison, par exemple 45 degrés, par rapport à l'axe longitudinal du conducteur externe. Cette antenne peut être fabriquée sans inconvénient à partir d'un câble coaxial disponible dans le commerce. En choisissant de façon adéquate l'angle d'inclinaison des fentes et l' espacement entre elles, l'antenne peut présenter une directivité orientée selon un angle d'élévation souhaité lorsqu'elle est montée sur une paroi verticale afin de lui permettre de recevoir des signaux d'ondes radio provenant d' un satellite.
Description
L'invention concerne des antennes coaxiales à fentes basées sur un système
d'alimentation à ondes progressives adaptées pour être utilisées dans la diffusion par satellite, la communication par satellite, et les radars et des réseaux d'antennes destinés à transmettre et recevoir des ondes radio utilisant plusieurs de ces antennes. La diffusion par satellite et la communication par satellite nécessitent des antennes présentant des gains élevés. Ces gains élevés sont possibles grâce à des directivités précisews et de telles directivités sont considérées comme possibles seulement à l'aide de telles antennes comme les antenne paraboliques. Cependant, en vue de recevoir des signaux d'ondes radio d'un satellite se trouvant à 36 000 km au dessus de l'équateur, les antennes paraboliques doivent présenter des zones de surface étendues, et elles doivent être orientées exactement vers le satellite. Ainsi de grands réflecteurs sont nécessaires pour assurer des zones de surface étendues, et des structures mécaniques importantes sont nécessaires pour
maintenir les antennes immobiles même lors de vents forts.
En outre, elles doivent être installées de façon à être orientées de façon exacte vers le satellite. Aussi, diverses difficultés surgissent lorsque de telles antennes
doivent être installées sur des maisons.
Récemment, on a proposé diverses antennes plans utilisant un grand nombre d'éléments sur un- seul plan. D'un point de vue électromagnétique, ces antennes
plans sont équivalentes aux antennes paraboliques.
Cependant, selon une telle antenne, son faisceau principal est perpendiculaire à sa surface principale, et, si elle est simplement montée à plat sur un mur vertical, son faisceau est orienté horizontalement. Il est donc souhaitable d'incliner le faisceau principal à l'angle d'élévation d'un satellite en vue de faciliter le montage de l'antenne, mais de telles tentatives n'ont pas réussi en raison de divers problèmes de fabrication. En outre, une antenne plan comprend un grand nombre d'éléments d'antenne, et une perte considérable résulte inévitablement de la collecte de signaux des divers élements d'antennes. En tant qu'antennes pour radars, les antennes à fentes à guide d'ondes sont utilisées largement
mais sont trop chères pour le consommateur.
Les théories pour des lignes d'alimentation coaxiale sont déjà connues, et ont été appliquées à divers produits. L'auteur de l'invention n' a pas eu connaissance d'une tentative quelconque pour produire une antenne à faisceau par ouverture d'un grand nombre de fentes, chacune de ces dernières présentant une longueur de résonance dans une ligne de transmission coaxiale et étant inclinée d'un angle adéquat par rapport à l'axe longitudinal de la ligne de transmission coaxiale. Si une telle tentative était faite dans des plages de basse fréquence bien au dessous de la fréquence de coupure d'un câble coaxial particulier dans lesquelles ces câbles coaxiaux sont normalement utilisés, la longueur des fentes deviendrait si longue qu'elles se formeraient en spirales, et cette antenne serait tout à fait inutilisable. En outre, il est courant d'utiliser un guide d'ondes et il est inconcevable d'utiliser un câble coaxial dans
certaines plages de haute fréquence.
Par exemple, lorsque on choisit 12 GHz comme fréquence d'émission d'un satellite, sa longueur d'onde spatiale sera 20 = 25 mm, et la longueur de résonance de la fente X0 = 12,5 mm (en réalité la longueur de résonance sera légèrement plus courte que cela). Comme il est possible de véhiculer un signal d'onde radio de 12GHz avec un câble coaxial dont le conducteur externe présente un diamètre interne de 10 mm (ou une longueur de circonférence interne de 31,4 mm), il est possible de former une antenne à fentes avec ce câble coaxial par l'ouverture de fentes présentant une longueur de l'ordre de 10 mm à un intervalle souhaité. Ces câbles coaxiaux utilisant des conducteurs externes qui sont approximativement de 10 mm de diamètre interne sont disponibles dans le commerce pour utilisation dans des bandes de fréquence VHF et UHF. Ils sont également utilisés pour télévisions câblées en raison de leur
maniement favorable.
Etant donné que les conducteurs externes sont de petite épaisseur et que les - lan-- sousjacents servent de support pour découper les fentes dans le conducteur externe, la fabrication d'une telle antenne à fentes est extrêmement simple. Cette antenne à fentes présente l'avantage supplémentaire de l'économie du fait que les
câbles coaxiaux sont produits en série et sont bon marché.
Un guide d'onde présente une efficacité de transmission plus élevée que le câble coaxial dans des plages de fréquence élevées pour la diffusion par satellite et pour les radars, mais l'efficacité de transmission n'est pas un problème important lorsqu'un câble coaxial est utilisé comme antenne à fentes puisque sa longueur est très courte, et l'utilisation d'un câble coaxial offre les avantages de l'économie et de la simplicité qui compensent largement la légère perte
d'efficacité de transmission.
Etant donné qu'il n'y avait pas eu de tentative d'utilisation de câble coaxial dans des plages de fréquence près de la fréquence de coupure, divers problèmes potentiels existaient, mais, étant donné que le maniement de signaux de haute fréquence avec des câbles coaxiaux était courant dans le domaine des instruments de mesure, aucun problème n'était insurmontable. Cependant, on doit comprendre que l'utilisation du câble coaxial est basée uniquement sur sa disponibilité commerciale et son économie, et que la formation d'une ligne de transmission coaxiale par enroulement d'une feuille en métal est aussi
comprise dans le-concept ventralede la présente invention.
Une telle antenne coaxiale à fentes peut être utilisée comme antenne individuelle, mais peut être aussi utilisée comme source de rayonnement primaire pour accroître sa surface d'ouverture et, par conséquent, son gain. Il est très difficile de diriger une antenne à haute directivité vers un satellite qui n'est pas visible à l'oeil nu. Cependant, étant donné que cette antenne à fentes peut être fabriquée de façon à présenter une directivité à angle correct d'élévation lorsqu'elle est montée sur une paroi verticale, la seule chose nécessaire pour l'installation de cette antenne est le réglage de son azimuth ou de son support. C'est un avantage considérable sur d'autres antennes qui nécessitent un réglage à la fois de l'angle d'élévation et de l'azimnuth
aen les installant' --:: - -
Une antenne à fentes similaire est utilisée pour la communication téléphonique avec les trains (se référer au brevet japonais publié sous le n 58-218849), mais, comme cette antenne est seulement destinée à la communication à courte distance, la longueur des fentes est bien plus courte que la longueur de résonance et la composition de la directivité ou la propriété de polarisation des ondes
radio transmises n'est pas considérée comme importante.
Compte tenu de ces problèmes, la présente invention a pour but principal de proposer une antenne à fentes fondée sur un système d'alimentation à ondes progressives qui est
d'installation facile.
Ces buts ainsi que d'autres ont été atteints en proposant une antenne coaxiale à fentes du type à alimentation à ondes progressives, comprenant: un conducteur central s'étendant sur une certaine longueur; un conducteur externe cylindrique entourant coaxialement le conducteur central; et plusieurs fentes prévues dans le conducteur externe à un certain angle d'inclinaison par rapport à l'axe longitudinal du conducteur externe. Du fait qu'une directivité élevée et qu'une propriété de polarisation d'onde favorable peuvent être obtenues simplement par réglage de l'angle d'inclinaison et de l'espacement des fentes, l'antenne coaxiale à fentes de la présente invention peut être utilisée sans inconvénient comme antenne de haute performance et de maniement facile pour la diffusion par satellite, la communication par satellite et les radars. Etant donné que cette antenne peut être fabriquée comme une antenne plan et une antenne allongé verticalement, elle peut être montée sans inconvénient sur un mur vertical. Une directivité souhaitée pour un certain angle d'élévation peut être donnée à l'antenne, lorsqu'elle est montée sur un mur vertical, en choisissant de façon adéquate l'angle d'inclinaison et l'espacement des fentes. En outre, l'antenne peut être fabriquée d'une longueur relativement importante de façon à pouvoir être coupée à une longueur souhaitée lors de l'installation, les problèmes de stockage d'un grand nombre de ces antennes de dimensions différentes pour des applications différentes étant ainsi
évités.
Des améliorations en directivité et en gain peuvent être réalisées en utilisant cette antenne en combinaison avec un réflecteur parabolique et/ou en utilisant un réseau de telles antennes coaxiales à fentes disposées parallèles entre elles en combinaison avec un circuit mélangeur à guide d'ondes qui est de manière usuelle raccordé à des extrémités de sortie des antennes coaxiales
à fentes.
Selon une autre forme préférée de réalisation de la présente invention, une puissance de rayonnement provenant de chacune des fentes est commandée par réglage de l'angle d'inclinaison et de la longueur de la fente à proximité d'un point de résonance, et le diamètre interne D du conducteur externe satisfait les conditions suivantes: _o 2 Vo -sin i MAX < D < Zx r (1+e-) úr étant la constante diélectrique relative d'un isolateur séparant le conducteur central du conducteur externe, f la fréquence de transmission, Z0 une caractéristique d'impédance, Vo la vitesse spatiale de l'onde radio, Xo est la longueur d'onde dans l'espace, OMAX est l'angle d'inclinaison maximum desdites fentes par rapport à un axe longitudinal dudit conducteur externe. Dans le cas d'un système à double rangée qui est rapporté ici, le diamètre interne D du conducteur externe satisfait les conditions suivantes: (X -sin 8MAX + Y) 2x 2 Vo <D< x 3(0+e ê) g Y étant l'espacement entre les deux lignes centrales
longitudinales X1-X2 et X2-X2 des deux rangées de fentes.
La présente invention sera maintenant décrite en termes de formes de réalisations spécifiques, en référence aux dessins d'accompagnement, dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'une première forme de réalisation d'une antenne coaxiale à fentes du type à alimentation à ondes progressives selon la présente invention; la figure 2 représente une antenne coaxiale à fentes selon la présente invention combinée avec un réflecteur parabolique; la figure 3 est une vue frontale d'un réseau d'antennes coaxiales à fentes mutuellement parallèles qui sont raccordées de manière usuelle à un circuit mélangeur à leurs extrémités de sortie; la figure 4 est une vue frontale schématique représentant comment le réseau d'antenne représenté à la figure 3 peut être monté sur une paroi verticale externe d'une maison; la figure 5 représente schématiquement comment un circuit mélangeur peut être raccordé de manière usuelle à plusieurs antennes coaxiales à fentes; les figures 6a et 6b représentent les différences dans les lobes principaux produits et les sous lobes selon la localisation des extrémités de sortie; les figures 7 et 8 sont des vues en perspective représentant respectivement une antenne coaxiale à fentes à système à rangée unique et une antenne coaxiale à fentes à système à rangée double selon la présente invention; la figure 9 est une vue en coupe de l'antenne coaxiale à fentes; la figure 10 représente les facteurs limitant le diamètre du conducteur externe; la figure 11 est un graphique représentant la relation entre la puissance de rayonnement provenant des fentes et leur longueur pour des valeurs différentes de l'angle d'inclinaison des fentes; la figure 12 représente schématiquement comment une propriété de polarisation d'onde souhaitée peut être obtenue en combinant les domaines électriques produits par chaque paire de fentes; la figure 13 représente schématiquement la relation entre le diamètre du conducteur externe et la directivité de la puissance de rayonnement; les figures 14 à 16 sont des schémas représentant les modèles de formes de flux de courant électrique autour des fentes de l'antenne coaxiale à fentes; la figure 17 est un circuit équivalent du circuit de compensation de phase qui est placé entre le conducteur central et le conducteur externe de l'antenne coaxiale à fentes de la présente invention; la figure 17a est un graphique représentant la relation entre la fréquence et la susceptance; la figure 17b est un graphique représentant la relation entre la direction du faisceau principal et la fréquence; la figure 18 représente une autre forme de réalisation de l'antenne coaxiale à fentes pourvue de circuits de compensation de phase entre son conducteur central et son conducteur externe; la figure 19 représente schématiquement encore une autre forme de réalisation de l'antenne coaxiale à fentes de la présente invention; la figure 20 est une vue en perspective partiellement tronquée d'un connecteur pour l'extrémité de sortie d'une antenne coaxiale à fentes incorporant un transformateur pour réaliser une adaptation d'impédance; et la figure 21 est une vue en perspective d'un écran pour modifier la propriété de polarisation d'onde de l'antenne coaxiale à fentes qui peut être utilisée en combinaison avec l'antenne
coaxiale à fentes de la présente invention.
La figure 1 représente une première forme de réalisation de l'antenne coaxiale à fentes selon la présente invention. Cette antenne coaxiale à fentes comprend un conducteur externe cylindrique la, un conducteur central lb qui y est logé centralement, et une gaine externe lc, et plusieurs paires de fentes 2a et 2b sont prévues à intervalle égal le long d'une ligne axiale X-X ou génératrice du conducteur externe la en deux rangées. Les fentes 2a et 2b dans chaque paire définissent respectivement des angles +0 et -0 par rapport à l'axe longitudinal X-X et les paires de fentes sont disposées le long de l'axe longitudinal X-X selon un pas P de façon à obtenir la directivité souhaitée et une propriété de polarisation d'onde. On doit comprendre, cependant, que le pas P peut être de préférence irrégulier selon le modèle optimum du faisceau principal qui est souhaité dans chaque
application particulière.
La configuration et la disposition de ces fentes 2a et 2b prévues dans le conducteur externe la sont des facteurs importants pour la détermination des propriétés de l'antenne; l'angle d'élévation de la transmission d'onde radio depuis l'antenne à fentes lorsqu'elle est montée sur un mur vertical est déterminé par le pas P des paires de fentes et la propriété de polarisation des ondes est déterminée par l'espacement et les angles des fentes 2a et 2b. Le degré de couplage entre les fentes et la ligne de transmission est aussi important. En bref, pour obtenir une performance optimum de l'antenne coaxiale à fentes, il est important de réaliser une adaptation optimum entre les propriétés de cette antenne à fentes en
tant que système d'alimentation et en tant qu'antenne.
Le degré de couplage entre l'antenne et le système d'alimentation peut être contrôlé en réglant la longueur des fentes 2a et 2b par rapport à la longueur de résonance
et/ou en changeant l'angle 0.
Il est possible, dans un cas spécial, de transmettre (ou de recevoir) une onde polarisée circulaire en choisissant les angles d'inclinaison des fentes 2a et 2b, 45 degrés par exemple de façon que les plans de polarisation des champs électriques rayonnés par ces fentes 2a et 2b définissent un angle de 90 degrés, et en réglant le pas P de façon à obtenir une différence de phase de 90 degrés entre les champs électriques produits
par ces fentes 2a et 2b.
Dans la forme de réalisation représentée à la figure 2, un réflecteur parabolique 3 est combiné avec une
antenne 1 coaxiale à fentes selon la présente invention.
Les fentes 2a et 2b de l'antenne 1 coaxiale à fentes sont face au réflecteur parabolique 3, et l'extrémité de sortie de l'antenne 1 à fentes prévue à son extrémité supérieure est raccordée à un transmetteur/recepteur (ou un
convertisseur, dans le cas de diffusion par satellite) 4.
Dans la forme de réalisation représentée à la figure 3, plusieurs antennes 1 coaxiales à fentes selon la présente invention sont disposées parallèles entre elles, et les extrémités de sortie des antennes 1 coaxiales à fentes sont raccordées à un circuit mélangeur et à un transmetteur/récepteur 5. La figure 4 représente la façon dont peut être monté le réseau d'antenne 1 sur un mur
vertical d'une maison.
Ainsi, l'antenne coaxiale à fentes de la présente invention peut être utilisée individuellement comme représenté aux figures 1, 7 et 8 ou en combinaison avec un
réflecteur parabolique pour obtenir plus de directivité.
Il est également possible d'utiliser plusieurs antennes coaxiales à fentes pour obtenir la directivité souhaitée et une propriété de polarisation d'onde favorable. En particulier, lorsque l'antenne doit être montée sur un mur vertical, il est préférable que l'antenne soit allongée dans la direction verticale pour une utilisation efficace de la zone de surface du mur et pour la simplicité de l'installation. L'antenne coaxiale à fentes peut être formée de façon tout à fait adéquate dans un réseau d'antenne allongé, et il est aussi possible de fabriquer des réseaux d'antenne présentant une longueur relativement importante et de régler la longueur comme nécessaire
immédiatement avant l'installation.
La figure 5 représente un circuit 10 mélangeur à guide d'ondes qui est raccordé à des parties d'extrémité de plusieurs antennes 1 coaxiales à fentes. Un câble 11 d'alimentation menant au transmetteur/récepteur (non représenté sur le dessin) est couplé avec une partie médiane de ce circuit 10 mélangeur. Pour des plages de basse fréquence, le circuit mélangeur consiste normalement en une carte à circuit imprimé comportant divers éléments inductifs et capacitifs, mais un tel circuit mélangeur fondé sur des éléments discrets et/ou des éléments répartis devient inutilisable dans des plages de haute fréquence (bandes GHz) pour la diffusion par satellite, la communication par satellite et pour les radars du fait que la capacité parasite et l'inductance seraient considérables. Dans des plages de microondes ou des plages de fréquence plus élevée, des guides d'ondes sont utilisées habituellement. Normalement, un système de guidage d'ondes et un système à câble coaxial sont couplés
entre eux via un transducteur.
Selon la présente invention, plusieurs antennes coaxiales à fentes sont raccordées à un circuit mélangeur à guide d'ondes courant. Ceci assure une efficacité élevée à ce réseau d'antenne coaxiale à fentes. On doit comprendre que la relation de phase dans le guide d'ondes, et que le degré de couplage entre le guide d'ondes et les antennes coaxiales à fentes doivent être réglés de façon
appropriée.
La direction du faisceau principal de l'antenne coaxiale est déterminée par la phase de l'onde progressive, dans la ligne de transmission coaxiale, et par les positions des fentes. En se référant à la figure 6a, lorsque le faisceau principal est orienté vers l'onde radio arrivant, si l'extrémité de sortie de l'antenne coaxiale à fentes est prévue à son extrémité inférieure, le pas optimum Pi des fentes devient plus long et le gain tombe en raison de la production de sous lobes. Toutefois, si l'extrémité de sortie de l'antenne coaxiale à fentes est prévue à son extrémité supérieure comme représenté à la figure 6b, le pas optimum P2 devient plus court, et, comme les sous-lobes deviennent extrêmement petits, on
peut obtenir un gain suffisant.
En d'autres termes, lorsque le faisceau principal 5a ou 5b est placé en direction de l'onde radio arrivant, il définit un angle obtus par rapport à la partie inférieure de l'antenne coaxiale à fentes mais définit un angle aigu par rapport à la partie supérieure de l'antenne coaxiale à fentes. Ainsi, dans le cas représenté à la figure 6a, étant donné que la sortie de l'antenne coaxiale à fentes est extraite de son extrémité inférieure, l'angle obtus est défini entre l'extrémité de sortie de l'antenne coaxiale à fentes et le faisceau principal, et le pas Pl est relativement important. En conséquence, des sous lobes importants 6a et 6b sont produits et le gain à l'extrémité
de sortie est réduit.
Toutefois, lorsque la sortie est extraite de l'extrémité supérieure de l'antenne coaxiale à fentes 1 comme représenté à la figure 6b, un angle aigu est défini entre l'extrémité de sortie de l'antenne coaxiale à fentes et son faisceau principal, et le pas P2 des fentes est relativement petit. En conséquence, seule un sous lobe trés petit 6c est produit, et le gain à l'extrémité de sortie est accru. B1 et B2 sont prévus pour recevoir une onde radio polarisée circulaire d'une direction spécifique (dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens
contraire des aiguille d'une montre).
La figure 7 représente une autre forme de réalisation de la présente invention qui est similaire à la forme de réalisation représentée à la figure 1. Cette antenne coaxiale à fentes comprend un conducteur externe cylindrique la, un conducteur central lb et une gaine externe lc. Dans ce cas, des fentes 2a ont des angles d'inclinaison qui varient par rapport à l'axe longitudinal
X-X, mais sont toutes inclinées dans la même direction.
Dans la forme de réalisation représentée à la figure 8, deux rangées de fentes 2a et 2b sont prévues le long de deux axes longitudinaux X1-X1 et X2-X2. Les fentes de chaque rangée sont inclinées dans la même direction mais ont des angles qui varient par rapport à l'axe longitudinal correspondant Xl-Xl ou X2-X2. Les fentes appartenant aux différentes rangées sont inclinées dans des directions opposées, mais les valeurs absolues de leurs angles d'inclinaison sont adaptées entre celles des fentes s'opposant latéralement entre elles avec un certain décalage Pc par rapport aux différentes rangées. Les angles d'inclinaison qui varient dans le sens longitudinal sont déterminés de façon à obtenir la répartition souhaitée (par exemple une répartition uniforme) de puissance de rayonnement dans le sens longitudinal de
l'antenne coaxiale à fentes.
Ci-après la forme de réalisation représentée à la figure 7 est appelée système à rangée unique tandis que la forme de réalisation représentée à la figure 8 est appelée
système à rangée double.
Dans le cas du système à rangée unique, les fentes 2a sont disposées selon un pas P le long de l'axe longitudinal X-X. Dans le cas du système à rangée double, les fentes 2a et 2b sont disposées le long des axes longitudinaux respectifs X1-X1 et X2-X2, et le décalage entre les fentes 2a et 2b appartenant aux différentes rangées est Pc. L'espacement entre les deux axes longitudinaux X1-X1 et X2-X2 est Y. En d'autres termes, en ce qui concerne le câble coaxial représenté à la figure 9, lorsque le diamètre interne du conducteur externe la est D, le diamètre externe du conducteur central lb est d, et la constante diélectrique relative de l'isolant ld est úr, et la vitesse de progression de la lumière dans l'espace est V0, la relation entre la fréquence f de transmission d'onde radio et la longueur d'onde Xg dans la ligne de transmission est donnée dans l'équation suivante: g Vo(1) f Ér La limite inférieure de la longueur d'onde que le câble coaxial peut transmettre par le mode TEM est donnée par l'équation suivante: Xc = (D+d)...(2)
Xg étant la longueur d'onde de coupure.
Ainsi, la fréquence de coupure correspondant à cette longueur d'onde de coupure Xc est donnée par l'équation suivante: Vo Ceci signifie que le cable coaxial ne peut pas transmettre d'onde radio de fréquence plus élevée que cette limite selon le mode TEM. En d'autres termes, il y a une fréquence de coupure fc qui est unique pour chaque câble coaxial de dimensions données, et plus le câble est épais plus basse est la fréquence de coupure. Inversement, si une fréquence de transmission est donnée, il existe une limite aux dimensions du câble coaxial qui peut être utilisé. Normalement, un câble coaxial est utilisé pour les fréquences d'onde radio qui sont bien inférieurs à sa fréquence de coupure, et de telles considérations ne sont pas nécessaires, mais un câble coaxial pour transmettre des ondes de fréquence radio très élevée telles que celles pour diffusion par satellite (de 11,7 GHz à 12,04 GHz) doit avoir un conducteur externe dont le diamètre externe n'est pas supérieur à 10-15 mm. Toutefois, en vue d'ouvrir des fentes de la longueur requise dans le conducteur externe la pour utiliser le cable coaxial comme antenne coaxiale à fentes selon l'invention comme représenté à la figure 9, le diamètre interne du conducteur externe doit
avoir une valeur suffisante.
Chaque fente doit être inclinée par rapport à l'axe longitudinal du câble coaxial d'un certain angle. Cet angle réalise le couplage entre les fentes et le câble coaxial requis pour le rayonnement de l'onde radio, et le rayonnement maximum se produit lorsque la longueur de chaque fente coïncide avec une certaine longueur de résonance. Pour former un réseau d'antenne en ouvrant un grand nombre de fentes dans le conducteur externe, le degré de couplage doit être réglé en changeant la longueur des fentes et leur angle d'inclinaison de façon à obtenir la valeur d'ouverture d'antenne souhaitée. Lorsque la longueur d'onde spatiale de l'onde radio est Xo, la longueur de la résonance réelle est légèrement inférieure à Xo/2, mais l'utilisation de Xo/2 pour la fréquence de
résonance est suffisante dans un but très pratique.
Concernant l'angle 0, des expériences ont montré que l'atténuation du câble par chaque fente résonante présentant l'angle d'inclinaison 0 = 45 degrés était approximativement de 1 dB, et on déterminait ainsi que 45 degrés est l'angle d'inclinaison auquel le rayonnement maximum se produit étant donné que l'atténuation de câble donne une bonne indication de l'importance de la puissance
de rayonnement à partir de chaque fente.
Le degré de couplage entre les fentes et la ligne de transmission doit être déterminé selon la directivité du rayonnement et les propriétés de polarisation d'onde souhaitées. Généralement parlant, le couplage doit être d'autant plus étroit que la fente est située plus loin de l'extrémité d'entrée pour obtenir une distribution uniforme de la puissance rayonnée de l'antenne le long de sa longueur. Ainsi, il est nécessaire d'utiliser un câble dont le diamètre est suffisamment important pour assurer la longueur et l'angle d'inclinaison de la fente qui nécessite le degré maximum de couplage dans ce système particulier d'antenne. Lorsque cet angle d'inclinaison maximum est donné par 0NAX, les conditions pour accommoder les fentes de résonance de cet angle d'inclinaison maximum OMAX à l'intérieur de la longueur circonférentielle du conducteur externe sont données par l'équation suivante: no D > - sin 8MAX.--(4) 2n dans le cas du système à rangée unique, et par l'équation: xo ( - sin OMAX+Y)
D >... (5)
Ir dans le cas du système à rangée double. Ici, Y est l'espacement entreles deux axes longitudinaux X1-X1 et X2-X2, qui est nécessaire pour permettre, respectivement, l'ouverture des fentes 2a le long de l'axe longitudinal
X1-X1 et des fentes 2b le long de l'axe longitudinal X2-
X2, et contribue, en même temps, à l'amélioration de la propriété de polarisation d'onde des fentes. Lorsque Y = 0 l'équation (5) passe à l'équation (4) pour le système à
rangée unique.
Les conditions données par les équations (4) et (5) donnent les dimensions théoriques minimum. En réalité, un certain espacement est nécessaire entre les fentes adjacentes en vue d'assurer une intégrité mécanique et une stabilité du conducteur externe, et il est souhaité que le câble coaxial soit plus épais que celui donné par l'équation (4) ou (5) pour éviter les interférences électriques. Les fentes peuvent prendre des formes diverses autres que de simples rectangles ou des rails, telles que des formes en lignes ondulées, des formes en haltères, des formes en L, des formes en vilebrequin, des formes en croix, des formes en swastika (inversée ou non inversée), etc. Dans tous les cas, ces variations de configurations de fentes réduisent la longueur requise des fentes, les équations (4) et (5) s'appliquent à des fentes linéaires et quelques modifications sont prévues pour les fentes d'autres configurations. Maintenant, comme représenté à la figure 10, le diamètre interne D du conducteur externe la doit être intermédiaire entre la valeur maximum imposée par le mode de transmission et la valeur minimum requise pour l'ouverture des fentes et doit satisfaire à l'équation suivante: 2 Vo D < x...(6)
X (1+ e 2) X-
tandis que les conditions selon lesquelles les fentes de longueur de résonance et d'angle d'inclinaison maximum OMAX peuvent être adaptées dans la longueur circonférentielle ID du conducteur externe sont données par l'équation (4) ou par: D > sin MMAX 2n dans le cas du système à rangée unique et par l'équation (5) ou par: xo (- sin OMAX+Y)
D >
dans le cas du système à rangée double.
Lorsque les longueurs d'onde normales pour diffusion par satellite sont substituées dans ces équations, on peut voir que le diamètre interne du conducteur externe doit être compris entre quelques millimètres et quinze millimètres qui sont les dimensions des câbles coaxiaux produits en série et disponibles dans le commerce. Ainsi, l'antenne coaxiale à fentes de la présente invention présente un avantage en ce qu'un câble coaxial bon marché peut être converti facilement en une antenne coaxiale à fentes sans avoir besoin de moyens de production de grande envergure. La figure 11 est un graphique représentant la relation entre la puissance rayonnée et la déviation depuis la longueur de résonance lo pour différents angles d'inclinaison 0. D'après ce graphique, on peut voir que la puissance rayonnée doit être contrôlée de façon appropriée de façon à utiliser efficacement l'ouverture et à obtenir la directivité souhaitée pour un système d'antenne. Des expériences ont montré que la longueur des fentes doit être proche de la longueur de résonance pour
obtenir une composition satisfaisante de la directivité.
Ainsi, le degré de couplage entre la fente et la ligne de transmission doit être contrôlé par une sélection adéquate de l'angle d'inclinaison 0 et la longueur de fente de
façon à utiliser l'ouverture du système d'antenne.
La figure 12 représente les vecteurs des champs électriques rayonnés depuis les fentes 2a et 2b et leur différence de phase 4; l'onde radio émise consiste en une onde polarisée circulaire lorsque les champs électriques rayonnés définissent un angle de 90 degrés entre eux et que la différence de phase est de 90 degrés, et en une onde polarisée linéaire lorsque les champs électriques rayonnés définissent un angle de 180 degrés entre eux et que la différence de phase est de 180 degrés. La caractéristique de polarisation d'onde de l'onde radio rayonnée peut être contrôlée en réglant l'espacement entre les deux axes longitudinaux X1-X1 et X2-X2 et le décalage Pc entre les fentes 2a et 2b appartenant aux deux rangées différentes. La figure 13 représente schématiquement que, même lorsque le diamètre interne du conducteur externe satisfait aux conditions données par les équations (4) à (6), si le diamètre D est petit en comparaison de la longueur d'onde, l'antenne à fentes tend à avoir une directivité réduite, mais, si le diamètre est grand par rapport à la longueur d'onde, une grande partie de la puissance est rayonnée par le côté o les les fentes sont situées et une puissance relativement faible est rayonnée par le côté opposé de l'antenne coaxiale à fentes. Lorsque l'antenne est utilisée pour la réception d'onde radio, une directivité plus élevée est préférable de façon à obtenir un gain plus élevé, et en particulier, un rapport important F/B est souhaité. Ainsi, il est préférable dans la plupart des cas de sélectionner une valeur aussi importante que possible dans la mesure o elle est capable de réaliser une transmission TEM pour le diamètre interne
du conducteur externe.
La valeur facteur de qualité Q qui est en rapport avec la largeur de la bande de réception devient plus petite au fur et à mesure que le diamètre interne D croit
selon les expériences menées par l'rauteur de l'invention.
En d'autres termes, la dimension de l'antenne coaxiale à fentes doit être choisie selon la directivité et la valeur
Q qu'on souhaite obtenir.
Les figures 14 à 16 représentent les champs électriques rayonnés produits par la fente S. En se référant à la figure 14, lorsque le diamètre du câble coaxial est petit par rapport à la longueur d'onde, et que l'impédance électrique orientée circonférentiellement autour du conducteur externe S est inférieure à l'impédance électrique entourant la fente S, une grande part du courant électrique I s'écoule circonférentiellement autour du conducteur externe et le champ électrique T obtenu coïncide avec un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du câble coaxial comme représenté à la figure 14. En d'autres termes, le plan de polarisation d'onde est toujours perpendiculaire à l'axe longitudinal du câble coaxial indépendamment de l'angle d'inclinaison de la fente, le rendant inutilisable
pour une antenne pour une onde radio polarisée souhaitée.
Lorsque le conducteur externe la est divisé à une partie arrière de ce dernier, par rapport à la fente, et que la partie divisée 15 est isolée par un isolant comme représenté à la figure 15, un mode de transmission TEM est obtenu dans le câble coaxial, et l'impédance électrique circonférentielle dûe à la force électromotrice
induite par la fente S s'élève.
En d'autres termes, il est souhaité que le diamètre du câble coaxial soit aussi épais que possible du moment qu'un mode TEM puisse être obtenu comme représenté à la figure 16, et le courant électrique circonférentiel peut être sensiblement réduit si la partie arrière du conducteur externe par rapport à la fente est pourvue d'un espace qui est isolé électriquement comme représenté à la
figure 15.
Dans une antenne à fentes du type à alimentation à ondes progressives, la direction du faisceau principal change selon la phase de transmission dans le câble coaxial et selon le pas des fentes. Le pas des fentes est fixé physiquement et ne peut pas changer après la fabrication de l'antenne coaxiale à fentes, mais la fréquence de transmission présente une certaine largeur de bande et la phase de transmission dans le câble change selon la fréquence. Toutefois, la direction du faisceau principal doit être fixée compte tenu de la bande de fréquence. Pour compenser la phase, il est nécessaire de prévoir un circuit 20 de compensation de phase, par exemple comme représenté à la figure 17, à des
emplacements adéquats le long de la ligne de transmission.
Un effet de compensation de phase peut être produit par divers éléments de résonance, mais son circuit équivalent de base peut être donné comme représenté à la figure 17. La figure 17a représente la susceptance de ce circuit en relation avec la fréquence, et la phase du signal dans la ligne de transmission peut être compensée en utilisant un
intervalle a-b qui diminue avec une fréquence croissante.
En conséquence, la direction du faisceau principal est fixée dans la bande de fréquence souhaitée comme
représenté à la figure 17b.
Un tel circuit 20 de compensation de phase peut être appliqué à l'antenne coaxiale à fentes de la présente invention, par exemple, en plaçant une tige métallique 20 (correspondant au circuit 20 de compensation de phase) entre le conducteur central lb et le conducteur externe la à des emplacements adéquats comme représenté à la figure 18. Dans la forme de réalisation représentée à la figure 19, plusieurs fentes S1 présentant un angle d'inclinaison de O sont prévues le long de l'axe longitudinal d'un câble coaxial Cl, et des fentes S2 présentant un angle d'inclinaison -0 sont prévues le long de l'axe longitudinal d'un autre câble coaxial C2 s'étendant parallèlement au câble coaxial Cl susmentionné, les fentes S2 correspondant une par une aux fentes S1, mais avec un certain décalage Pc de façon à obtenir la caractéristique de polarisation d'onde souhaitée. Les extrémités supérieures ou les extrémités de sorties des câbles coaxiaux Cl et C2 sont raccordées à un circuit mélangeur
de façon à obtenir un gain élevé.
Dans la forme de réalisation représentée à la figure , une antenne 1 coaxiale à fentes et un transmetteur/récepteur 50 sont raccordés entre eux via un connecteur 40 qui comprend un transformateur 41 pour obtenir une adaptation d'impédance. Ce transformateur 41 peut être obtenu en changeant le diamètre du conducteur central sur une certaine section de celui-ci. Dans la plage de fréquence pour la diffusion par satellite, étant donné qu'un quart de longueur d'onde est de l'ordre de 6 mm, le transformateur 41 peut être facilement adapté dans
le connecteur 40.
Le degré de couplage entre la ligne de transmission et les fentes 2a et 2b du câble coaxial 1 est déterminé par leur longueur et l'angle d'inclinaison, mais peut être déterminé indépendamment par rapport à l'angle de polarisation de l'onde radio. Pour obtenir une caractéristique de polarisation d'onde souhaitée, il est possible de changer le plan de polarisation de l'onde radio rayonnée par un moyen externe. Par exemple, dans la forme de réalisation représentée à la figure 21, un écran consistant en un cylindre métallique pourvu d'un certain nombre de fentes 60a est placé coaxialement sur la circonférence externe de l'antenne 1 coaxiale à fentes. Si l'écran 60 peut changer l'angle de polarisation de l'onde radio rayonnée, il est possible d'obtenir la caractéristique de polarisation d'onde souhaitée en combinant un tel écran avec une antenne 1 coaxiale à
fentes.
Bien que la présente invention ait été représentée et décrite par rapport aux formes de réalisation présentées, il est sous entendu pour les hommes de l'art que diverses modifications et omissions concernant la forme et les détails peuvent y être apportées sans se départir de
l'esprit et du champ de l'invention.
Claims (13)
- 3. - Antenne coaxiale à fentes selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un réflecteur parabolique (3) prévu sur un côté de ladite antenne à fentes & une certaine distancedesdites fentes.
- 4. - Antenne coaxiale à fentes selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un faisceau principal de ladite antenne coaxiale à fentes définit un angle aigu par rapport à une extrémité de sortie deladite antenne coaxiale à fentes.
- 5. - Antenne coaxiale à fentes selon larevendications 1, caractérisée en ce qu'une puissancede rayonnement depuis chacune desdites fentes est commandée par le réglage dudit angle d'inclinaison et de la longueur de ladite fente à proximité d'un pointde résonance.
- 6. - Antenne coaxiale à fentes selon la revendication 1, caractérisée en ce que le diamètre interne D dudit conducteur externe satisfait lesconditions suivantes.Io 2 Vo -sin MAX < D < x 2'X XZO (r l+e r.f i(+e-zr gr étant la constante diélectrique relative d'un isolant-..... séparant ledit conducteur central dudit conducteur externe, f la fréquence de transmission, Z0 une caractéristique d'impédance, Vo la vitesse spatiale de l'onde radio, Xo la longueur d'onde dans l'espace, et OMAX l'angle d'inclinaison maximum desdites fentes parrapport à un axe longitudinal dudit conducteur externe.
- 7. _ - iAntenne;- -coaxiale à fentes selon la revendication 1, caractérisée en ce que deux rangées de fentes (2a, 2b) sont prévues dans ledit conducteur externe parallèlement à un axe longitudinal dudit conducteur externe, et le diamètre interne D dudit conducteur externe satisfait les conditions suivantes: o sin OMAX 2x 2 Vo < D < _Sr. 7x% ( ± 60);Er étant la constante diélectrique relative d'un isolateur séparant ledit conducteur central dudit conducteur externe, f est la fréquence de transmission, ZO est une caractéristique d'impédance, Vo est la vitesse spatiale de l'onde radio, Xo est la longueur d'onde dans l'espace, 8MAX est l'angle d'inclinaison maximum desdites fentes par rapport à un axe longitudinal dudit conducteur externe, et Y est l'espacement entre les lignes centralespassant par lesdites rangées de fentes.
- 8. - Antenneë- coaxiale à fentes selon la revendication 7, caractérisée en ce que chaque paire de fentes appartenant auxdites deux rangées différentes présente des angles d'inclinaison d'une même valeur absolue mais de signes opposés, et une caractéristique de polarisation d'onde souhaitée est obtenue en utilisant une différencede phase de puissance électrique l'alimentant.
- 9. -_ Antenne - coaxiale à fentes selon la revendication 8, caractérisée en ce que lesdites fentes appartenant à chacune desdites rangées présentent des angles d'inclinaison variant d'une extrémité de ladite rangée à1' autre.
- 10. -Antenne_-- coaxiale à fentes selon la revendication 1, caractérisée en ce que le facteur de directivité et la valeur facteur de qualité Q de l'antenne coaxiale à fentes sont commandés en choisissant un diamètre dudit conducteur externe. 11.- - Antenne -coaxiale à fentes selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une partie dudit conducteur externe à une certaine distance desdites fentes est séparée circonférentiellement de l'autre par un espace, et un isolant est placé entre les parties dudit conducteurexterne s'opposant l'une à l'autre dans ledit espace.
- 12._ Antenne -coaxiale à fentes selon la revendication 11, caractérisée en ce que lesdites parties s'opposant mutuellement dudit conducteur externe sont placées en couches l'une sur l'autre, et ledit - isolant- est placé entre lesdites parties en couches dudit conducteur externe 13.- Antennecoaxiale à fentes selon la revendication 1, caractérisée en ce que un circuit de compensation de phase est placé entre ledit conducteur central et leditconducteur externe.
- 14.- Antenn- - coaxiale à fentes selon la revendication 1, comprenant en outre un connecteur à son extrémité de sortie, ledit connecteur incorporant intérieurement untransformateur pour réaliser une adaptation d'impédance.
- 15._ Antenne coaxiale à fentes selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit transformateur consiste en une section dudit conducteur central qui présente un diamètredifférent du reste du conducteur central.
- 16.- Antenne -1 coaxiale à fentes selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un écran pourvu de plusieurs fentes inclinées est placé face à ladite antenne coaxiale à fentes pour modifier la caractéristique de polarisation de l'onde de ladite antenne coaxiale à fentes. 17.- ArgiigmEt - d'antenne coaxiale à fentes du type à alimentation à ondes progressives, comprenant plusieurs antennes coaxiales à fentes selon la revendication 1 parallèles entre elles; et un circuit mélangeur à guide d'ondes qui est raccordé de manière usuelle aux extrémitésde sortie desdites antennes coaxiales à fentes.
- 18.- Arrangement:- d'antenne coaxiale à fentes,caractérisé en ce-qu'uleèpair-e-dantefnnes- coaxiales à fentes selon la revendication 1 est raccordée de manière usuelle à un circuit mélangeur à guide d'ondes à leurs extrémités de sortie, les angles d'inclinaison des fentes dans lesdites deux différentes antennes coaxiales à fentes d'une mêmevaleur absolue mais de signes opposés.
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