La combinaison de dipôles en croix alimentés en quadrature de phase

2.1.1.1. Présentation

Cette antenne a été décrite pour la première fois par George Brown en 1936 [51]. Deux dipôles sont disposés orthogonalement l'un par rapport à l'autre. Ils sont alimentés en quadrature de phase (Voir gure 2.1).

2. Etat de l'art x y z Dipôle 1 Dipôle 2 V1 V₂

Fig. 2.1.: Combinaison de dipôles en croix. L'alimentation est en quadrature de phase : V2 = V1.eiπ/2

Le principe de fonctionnement est présenté à la gure 2.2. Les diagrammes de rayonne- ment dipolaires sont complémentaires et permettent d'obtenir dans le plan des dipôles un rayonnement quasiment constant. L'isotropie optimale est obtenue lorsque les dipôles sont de dimension inniment petite. Ces dipôles idéaux sont appelés dipôles de Hertz. Cependant dans la pratique, il est nécessaire d'utiliser des dipôles résonants an d'adap- ter l'impédance de l'antenne à la ligne d'alimentation. On utilise alors classiquement des dipôles demi onde.

2.1. Inventaire des structures

Diagramme de rayonnement Intensité du courant sur les dipôles

φ=0°

φ=90°

Fig. 2.2.: Principe de fonctionnement de la combinaison des dipôles

Une étude théorique sur les caractéristiques d'impédance, de bande passante, de couplage et de rayonnement d'une combinaison de deux dipôles en croix en quadrature, dans les conditions d'espace libre ou en présence d'un plan réecteur est présentée dans [52]. Les techniques courantes pour l'alimentation des dipôles en quadrature de phase sont exposées dans [53].

2.1.1.2. Simulation

Une simulation électromagnétique [54] avec des dipôles cylindriques de longueur demi- onde et de rayon ni est réalisée. Le circuit de déphasage n'est pas modélisé. La simulation comporte deux ports d'excitation distincts pour chacun des dipôles et ceux-ci sont excités en quadrature de phase. L'adaptation d'impédance est obtenue à 2 GHz. L'étude des

paramètres S11 et S21 montre que la bande passante à -10dB est d'environ 11% et que les

deux dipôles sont très peu couplés, typiquement inférieur à -50 dB.

Une réalisation pratique pour radio-amateurs d'une antenne à polarisation circulaire sur le principe de dipôles en croix est présenté dans [55].

2.1.1.3. Caractéristiques de rayonnement

La directivité en puissance est présentée à la gure 2.3. Le rapport axial est présenté à la gure 2.4. L'écart entre le minimum et le maximum de la directivité est typiquement de 4.5dB . Les maxima du rayonnement se font selon les directions de l'axe Oz, la polarisation y est circulaire. Le minimum se fait dans le plan des dipôles, la polarisation y est rectiligne.

2. Etat de l'art φ (deg) θ (deg) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4

Fig. 2.3.: Diplôles en croix : Diagramme de directivité (dBi)

φ (deg) θ (deg) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Fig. 2.4.: Dipôles en croix : Rapport axial

(Echelle linéaire : 0 = polarisation rectiligne / 1 = polarisation circulaire)

On observe à la gure 2.3 que le rayonnement est quasiment omnidirectionnel dans le plan des dipôles. Il existe cependant une légère modulation due à la longueur des dipôles. Des dipôles de dimensions inniment petites produisent un rayonnement parfaitement omnidirectionnel. A l'inverse les dipôles demi onde produisent un rayonnement modulé en fonction de φ dans le plan des dipôles. Les dipôles demi-onde sont plus directifs que les dipôles de Hertz, ceci explique que leurs recombinaisons respectives donnent lieu à des diagrammes diérents. La gure 2.5 illustre la superposition des champs dans le plan des dipôles dans le cas des dipôles de Hertz et dans le cas de dipôles demi onde.

2.1. Inventaire des structures 1 2 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 1 2 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 (a) (b)

Fig. 2.5.: Représentation de la directivité dans le plan des dipôles (Echelle linéaire) (a) en combinant deux dipôles de Hertz (b) en combinant deux dipôles de longueur demi onde.

2.1.2. L'antenne en U

2.1.2.1. Présentation

Cette structure est décrite pour la première fois sous une forme de dimension nie par Matzner en 1994 [39, 40, 41]. Un schéma de principe de l'antenne est donné à la gure 2.6. Lorsque la distance h entre les bras du U tend vers 0, le rayonnement devient parfaitement isotrope en puissance. y x z O Jb2= -αcos(2πz) Jb1= -α cos(2πz) L= λ/4 Jt=cst h Bras 1 Bras 2 traverse

~

Fig. 2.6.: Schéma de l'antenne en U. Les lignes en pointillé représentent l'intensité du courant sur les ls. Le rayonnement tend vers l'isotropie idéale en puissance lorsque h tend vers 0.

2. Etat de l'art 2.1.2.2. Simulation

Une structure simulée [54] est présentée à la gure 2.12. Elle est réalisée sur un substrat

r = 4.3 sans pertes avec une métallisation en conducteur parfait. La fréquence d'adapta-

tion est de 2Ghz. La bande d'adaptation est étroite : moins de 2%.

Lorsque les bras se rapprochent, la partie réelle de l'impédance d'entrée augmente, la résonance devient plus sélective et sa bande passante diminue. Cependant du point de vue du rayonnement, l'isotropie devient alors meilleure. Un compromis est donc à trouver entre isotropie de puissance et bande passante.

Cette simulation est réalisée avec une hauteur de λ/4 et une largeur de λ/8. On place en outre un stub dans la partie centrale entre les deux bras de l'antenne an de disposer d'un réglage supplémentaire pour ajuster la partie réactive de l'impédance d'entrée.

14.4 mm @ 2Ghz (~λ/10) 27 mm @

2Ghz (~λ/5)

18 mm @ 2Ghz (~λ/8)

Fig. 2.7.: Structure d'antenne en U simulée.

De façon générale, l'antenne en U présente l'avantage d'être relativement simple à réaliser, elle est petite puisqu'elle tient dans un rectangle de grand coté λ/4 et a un facteur de forme planaire.

2.1.2.3. Caractéristiques de rayonnement

Les caractéristiques de rayonnement sont illustrées aux gures 2.8 et 2.9. L'antenne en U possède une excellente isotropie en puissance : 2dB d'écart entre le minimum et le maximum. La polarisation est essentiellement rectiligne mis à part dans 4 directions par- ticulières à ±45du plan du substrat de part et d'autre de l'axe central.

On constate sur la gure 2.10 que les deux composantes du champ sont modulées en fonction de φ de façon complémentaire dans le plan xOy de sorte que leur superposition donne une directivité constante dans ce plan.

2.1. Inventaire des structures φ (deg) θ (deg) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4

Fig. 2.8.: Antenne en U : Diagramme de directivité (dBi)

φ (deg) θ (deg) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Fig. 2.9.: Antenne en U : Rapport axial

(En échelle linéaire : 0 = polarisation rectiligne / 1 = polarisation circulaire)

φ (deg) θ (deg) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 −25 −20 −15 −10 −5 0 φ (deg) θ (deg) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 −25 −20 −15 −10 −5 0

2. Etat de l'art