EP2449623B1

EP2449623B1 - Dispositif d'extension de bande modulable pour antenne omnidirectionnelle tres large bande

Info

Publication number: EP2449623B1
Application number: EP10723615.0A
Authority: EP
Inventors: Sébastien PALUD; Cyrille Le Meins; Thierry Guignard; Franck Colombel; Mohamed Himdi
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Rennes 1; Thales SA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Rennes 1; Thales SA
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2030-06-16
Also published as: FR2947389A1; FR2947389B1; WO2011000702A1; EP2449623A1

Description

L'objet de l'invention concerne un dispositif à positions modulables en fonction du véhicule porteur permettant d'élargir la bande d'utilisation d'une antenne omnidirectionnelle très large bande, par exemple pour élargir la bande 100 MHz-3 GHz à la bande 30 MHz- 3GHz.
Par l'expression « positions modulables », la description vise des éléments du dispositif dont la position et/ou la disposition peuvent changer en fonction de l'antenne utilisée et du porteur sur laquelle elle se trouve.
L'invention se situe dans le domaine des antennes ou systèmes antennaires dédiés à des applications d'émission/réception d'ondes électromagnétiques dans une très large bande. Le document de l'art antétrieur US3587004 décrit des coupleurs contra-directionnels.
Le concept mis en oeuvre dans l'invention peut être intégré sur tous types de porteur (terrestre, naval ou aéroporté). Il est particulièrement adapté pour une intégration sur le toit d'un porteur mobile (véhicules civils et militaires). Il peut être exploité dans d'autres bandes de fréquence que celle citée précédemment.
Pour les systèmes antennaires d'émission et de réception embarqués sur un porteur mobile, notamment ceux dédiés à des applications de brouillage ou de protection de convois, différents problèmes techniques sont à résoudre, dont les suivants :

● obtenir la largeur de bande fréquentielle à couvrir,
● garantir l'adaptation d'impédance et la tenue en puissance sur la bande de fréquence couverte,
● respecter une certaine compacité (hauteur, par exemple) de l'antenne et la discrétion des éléments rayonnants par rapport à la bande couverte,
● assurer un découplage suffisant vis-à-vis d'antennes de réception ou d'interception situées sur le porteur,
● prendre en compte le porteur sur lequel est disposée l'antenne pour obtenir les performances finales attendues.

Différentes structures antennaires sont connues du Demandeur, telles que, les antennes de type monopôle, les antennes sabres, les antennes de type dipôle, les antennes biconique ou discône, ou encore les antennes chargées à l'aide d'une résistance ou d'une boîte d'accord.
Ces antennes présentent certains inconvénients, par exemple :

● Un encombrement généralement important pour les fréquences basses qui ne répondent pas au critère de discrétion et de gabarit routier,
● Une largeur de bande limitée nécessitant l'utilisation de deux antennes pour couvrir la bande de fréquence d'utilisation précitée. Une telle architecture est susceptible d'accentuer les phénomènes de couplage et de masquage entre antennes lorsqu'elles sont installées proches l'une de l'autre,
● Des gains à l'horizon faibles et un rayonnement électromagnétique non optimisé; celui-ci évoluant en fonction du porteur,
● Une utilisation de cellule d'adaptation d'impédance limitant l'efficacité de rayonnement des structures antennaires et leur tenue en puissance.

Dans le cas des antennes accordées ou accordables, la bande passante instantanée est limitée.
La structure antennaire selon l'invention permet de résoudre un ou plusieurs des problèmes précités.
L'invention concerne un dispositif modulable permettant d'élargir la bande d'utilisation d'une antenne omnidirectionnelle très large bande, ladite antenne étant disposée sur un véhicule porteur V, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants :

● Une première plaque conductrice supérieure pourvue d'un ou plusieurs emplacements permettant de maintenir des liens métalliques, lesdits liens métalliques étant chargés avec un circuit d'adaptation, constitué des résistance de puissance,
● Une deuxième plaque conductrice inférieure pourvue elle aussi d'un ou plusieurs emplacements permettant de réaliser les contacts électriques entre les résistances de puissance et ladite plaque par des liens métalliques,
● Ladite antenne (1) comprend un excitateur large bande (7) ayant une surface externe et un profil de surface adaptés à générer ou capter un champ électrique à polarisation verticale linéaire créé entre les deux plaques (5, 6), ledit champ électrique se propageant au sein d'une structure de guidage formée par la première plaque (5), la deuxième plaque (6) et le moyen d'excitation large bande (7), ledit excitateur large bande étant de forme « pseudo-conique » et constitué de facettes conductrices, de tissu métallique ou de tiges métalliques.

La plaque conductrice inférieure de l'antenne peut être une plaque indépendante rapportée au véhicule porteur.
Lesdits emplacements prévus sur les plaques sont des trous ou orifices permettant un réglage ou un déplacement aisé des liens métalliques du circuit d'adaptation constitué de résistances de puissance.
Les matrices de trous ou emplacements sont étendues sur le pourtour des plans métalliques et jusqu'à proximité de la jonction du plan métallique supérieur et de la partie supérieure de l'excitateur large bande.
Lesdits liens métalliques sont inclinés ou perpendiculaires aux plans.
Le nombre et la disposition des liens métalliques munis du circuit d'adaptation constitué de résistances de puissance sont définis en tenant compte du porteur sur lequel est disposée l'antenne.
La valeur des résistances de puissance varient et sont adaptées en fonction de leur nombre et du porteur sur lequel est disposée l'antenne.
Les caractéristiques des résistances de puissance sont choisies afin de permettre à l'antenne d'être utilisée pour des applications de forte puissance également dans la bande de fréquence étendue.
La bande de fonctionnement de fréquence est comprise entre 30MHz et 3 GHz.
Le circuit d'adaptation est constitué, par exemple, d'un ou plusieurs éléments choisis parmi la liste suivante : résistance, capacité et/ou self de puissance.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent :

● La figure 1 A, une vue de côté d'un exemple de structure antennaire sur laquelle l'invention est appliquée,
● La figure 1 B, une vue de dessus de la figure 1 A, la figure 1 C, une vue de dessous de la figure 1 A, la figure 1 D un détail de l'antenne illustrée à la figure 1 A,
● Les figures 2A et 2B, vue de profil et vue de dessus, un exemple d'intégration d'une antenne sur un véhicule porteur de type 4x4,
● Les figures 3A et 3B, deux exemples d'intégration potentielle sur porteur de type véhicule blindé de l'antenne sur laquelle l'invention est appliquée,
● La figure 4, le rapport d'onde stationnaire obtenu avec une antenne décrite aux figures 1A à 1 D en présence ou non du dispositif selon l'invention et en présence ou non d'un véhicule porteur de petite dimension tel que spécifié en figure 2,
● La figure 5, le gain réalisé à l'horizon en polarisation verticale avec une antenne décrites aux figures 1 A à 1 D en présence du dispositif selon l'invention et en présence ou non d'un véhicule porteur de petite dimension tel que spécifié en figure 2.

Afin de mieux faire comprendre l'architecture du dispositif à positions modulables selon l'invention, ceci en fonction du véhicule porteur destiné à recevoir l'antenne, la description qui suit vise une utilisation de l'antenne pour l'émission d'ondes électromagnétiques à l'horizon et en dessous de l'horizon, c'est-à-dire, vers le bas et sur 360° d'azimut pour une bande de fréquence comprise entre 30MHz et 3 GHz.
L'idée de base du dispositif selon l'invention consiste à absorber une partie des courants circulant sur les plaques de l'antenne de référence et à favoriser l'excitation du véhicule porteur qui, compte tenu de ces dimensions rayonnent un champ électromagnétique dirigé principalement vers l'horizon dans les bandes basses (30-100 MHz) de l'antenne d'émission. L'antenne omnidirectionnelle fonctionnant dans la bande de fréquence (100-3000 MHz) voit sa bande de fonctionnement très largement étendue puisqu'elle peut fonctionner alors de 30 MHz à 3000 MHz.
La figure 1A représente une vue de côté d'un exemple de structure antennaire disposé grâce au dispositif modulable selon l'invention sur un véhicule porteur V (FIG.2A).
L'antenne 1 utilisée dans la présente description à titre illustratif est détaillée dans la demande de brevet du Demandeur FR 08 07230 .
Une antenne 1 destinée à être montée sur le support est constituée, par exemple, d'une plaque conductrice inférieure 6 conçue avec un matériau conducteur tel qu'un matériau métallique ayant par exemple une longueur L1 de 2000mm et une largeur l1 de 1700 mm. Cette plaque peut être une partie métallique planaire ou sensiblement planaire indépendante ou quelconque d'un porteur V (figure 2A). Une deuxième plaque conductrice qui dans cet exemple correspond à la plaque supérieure 5 et ayant une longueur L2 dans cet exemple de 2000 mm et une largeur l2 de 1700 mm forme le plan supérieur du système antennaire selon l'invention. La plaque 6 formant le plan inférieur et la plaque 5 formant le plan supérieur, peuvent avoir une surface identique. Les deux plaques peuvent être constituées du même matériau métallique adapté aux hyperfréquences.
La plaque inférieure 6 et la plaque supérieure 5 sont espacées d'une distance ou écart E. La valeur de l'écartement E entre les deux plaques est choisie en fonction de la fréquence minimale d'utilisation. Ainsi, l'écartement E peut être inférieur à la longueur d'onde, correspondant à la fréquence minimale de fonctionnement, divisée par 8. En règle générale, plus les dimensions des plaques seront grandes et plus l'écartement des plaques pourra être diminué.
L'antenne 1 est constituée par un excitateur large bande 7 positionné entre les plans métalliques 5 et 6 dans lesquels une matrice de trous 8 (figures 1 B et 1C) est réalisée afin de recevoir plusieurs liens métalliques 2 chargés par des résistances de puissance 3. Les liens métalliques ont notamment pour fonction de permettre la conduction électrique entre les différents éléments. Les résistances de puissance 3 sont de préférence, situées sur la plaque inférieure 6. Ces résistances de puissance 3 sont, d'une part, liées aux liens métalliques 2 connectés au plan supérieur 5 et, d'autre part, aux liens métalliques 4 connectés au plan inférieur 6. De fait, les plans métalliques 5 et 6 sont liés l'un à l'autre via les éléments 2, 3 et 4. Le nombre de liens métalliques peut varier en fonction du besoin. Ces liens, en fonction de leur nombre, de leur placement et de la valeur de la résistance de puissance 3, permettent une optimisation de l'adaptation de la structure en basse fréquence en absorbant les courants non désirables. Ils permettent également d'exciter plus facilement le véhicule porteur qui participe au rayonnement dans la bande de fréquences 30MHz-100MHz.
En choisissant judicieusement la position des liens métalliques 2,4 ainsi que des résistances de puissance 3, il est également possible de modifier le rayonnement de l'antenne, afin, par exemple, d'améliorer le rayonnement de l'antenne en présence du porteur ou afin d'éviter le rayonnement dans une direction sur les bandes de fréquences de quelques pourcents. Les résistances de puissance peuvent avoir des valeurs différentes ou non.
Les figures 1 B et 1C présentent respectivement une vue de dessus et une vue de dessous d'un exemple de réalisation de l'antenne. Sur le plan métallique supérieur 5 et sur le plan inférieur 6, une matrice de trous 8 est formée afin d'ajuster facilement l'emplacement des éléments 2, 3 et 4 et permettent à ces derniers de jouer leur rôle de conducteur entre les plans 5 et 6. En fonction de l'utilisation visée ou de l'application, les liens métalliques 2, 4 chargés résistivement par les résistances de puissance 3 peuvent être déplacés sur l'ensemble des positions 8 ou trous Ti de la matrice. Les matrices seront, de préférence, étendues sur le pourtour des plans 5 et 6 et jusqu'à proximité de la jonction du plan métallique 5 et de la partie supérieure 9 de l'excitateur large bande 7 présent entre les deux plans 5,6.
Les liens métalliques peuvent être inclinés ou perpendiculaires aux plans 5, 6. Ces liens peuvent être droits, coudés ou à méandres. Dans le cas où le plan métallique 6 est directement réalisé par une partie du porteur, par exemple lorsqu'il correspond au toit du véhicule (galerie ou autre), alors la matrice du plan 6 manquant peut ne pas être réalisée et les éléments 3, 4 directement fixés sur le porteur par des moyens connus de l'Homme du métier ou encore des moyens qui permettent à la conduction de se faire.
Les liens métalliques permettant la conduction peuvent être constitués dans n'importe quel type de matériau présentant des propriétés conductrices à partir du moment où ce matériau est adapté à fonctionner dans les hyperfréquences.
L'espacement entre plaques, le nombre et la disposition des liens métalliques sont, par exemple, déterminés en fonction de l'élargissement de la bande d'utilisation à obtenir en utilisant des outils de simulations électromagnétiques.
L'antenne omnidirectionnelle 1 munie des liens métalliques chargés par des résistances de puissance 3, par exemple, est adaptée sur une impédance caractéristique 50 Ohms. Le fait d'utiliser des résistances de puissance 3 permet à cette antenne 1 modifiée selon l'invention d'être utilisée pour des applications de forte puissance sur la bande 30-3000 MHz. Cette antenne présente aussi une couverture radioélectrique principalement dirigée vers l'horizon et vers le sol sur toute la bande de fréquence.
Les entretoises diélectriques 10 et 11 ont notamment pour fonction d'assurer une rigidité mécanique du système.
Sans sortir du cadre de l'invention, en lieu et place de la résistance de puissance, il est possible d'utiliser un circuit d'adaptation ou de charge plus complexe composé d'un ou plusieurs éléments choisis parmi la liste suivante : résistance, inductance, capacité, les éléments cités étant utilisés seuls ou en combinaison, sachant que la fonction finale sera d'assurer l'adaptation d'impédance et le rayonnement du système antennaire sur un porteur quelconque.
L'excitateur large bande 7 a notamment pour fonction d'établir un champ électrique E guidé entre les deux plans 5, 6 et sa paroi externe Se (FIG.1D). L'excitateur peut être constitué de plusieurs facettes conductrices (métalliques, par exemple) 20i dont le profil de leur paroi externe a été optimisé pour fonctionner sur la largeur de bande de l'antenne. L'assemblage des différentes facettes 20i (par exemple, à symétrie de révolution), ainsi que leur profil sont choisis pour assurer une transition progressive et omnidirectionnelle du champ électrique entre un point d'excitation 21 disposé au niveau du plan inférieur 6 et le plan supérieur 5. Le point d'excitation 21 est, par exemple, un cylindre conducteur formé par exemple dans un matériau métallique usiné, réalisant l'interface mécanique et électrique entre l'âme du connecteur 22 et l'excitateur large bande. Les facettes 20i peuvent être des plaques métalliques, en tissu métalliques ou encore formées de tiges métalliques.
Les facettes 20i sont, par exemple, reliées entre elles et au plan supérieur 5 à l'aide de vis métalliques (ou conductrice). Toute autre fixation permettant une continuité électrique entre les deux parties peut être envisagée. Il est aussi possible d'utiliser une technique de type mécano soudé. Les différentes pièces métalliques sont, par exemple, vissées ou emboîtées les unes avec les autres de manière à assurer une bonne tenue mécanique et une continuité électrique depuis l'âme du connecteur 22 jusqu'à la jonction excitateur - plaque supérieure. Toute autre technique permettant un assemblage assurant d'une part une tenue mécanique et d'autre part une continuité électrique peut être utilisée. L'association des éléments 20 et 23 forment l'excitateur large bande. L'ensemble présente une surface externe Se et un profil de surface P_s adaptés à générer un champ électrique à polarisation verticale linéaire créé entre les deux plaques 5, 6, sous l'effet d'un signal appliqué en un point d'excitation 21 de l'antenne, ledit champ électrique se propageant au sein d'une structure de guidage formée par la plaque supérieure, la plaque inférieure et le moyen d'excitation. Le cône métallique 23 permet d'assurer l'interface mécanique et électrique entre les facettes 20i et le point d'excitation 21.
L'excitateur peut prendre différentes formes et être constitué d'une ou plusieurs pièces du moment que cette transition progressive est assurée entre les deux plans ou les deux plaques. La transition progressive est définie dans le cadre de l'invention comme une transition ou profil mécanique progressif à symétrie de révolution entre le point d'excitation 21 et la plaque supérieure 5 permettant une adaptation d'impédance très large bande.
Le moyen d'excitation large bande génère, par exemple, un champ électrique à polarisation verticale.
Le moyen d'excitation large bande est, par exemple, adapté à créer un champ électrique se propageant entre les deux plaques ladite antenne générant un rayonnement radioélectrique omnidirectionnel en azimut orienté vers le sol et l'horizon.
L'utilisation de facettes pour constituer la paroi externe de l'excitateur offre notamment comme avantages de faciliter le montage et la fabrication du système. L'excitation des facettes 20i est assurée par un cylindre métallique conique 23 au sommet duquel est placé le point d'excitation 21 et à la base duquel sont fixées les facettes métalliques 20i. Cette partie 23 du système n'est pas nécessairement conique, mais peut être de forme cylindrique, hémisphérique, à profil exponentiel ou logarithmique, selon des formes et profils connus de l'Homme du métier.
Les dimensions ci-dessus sont données à titre illustratif. En effet, les dimensions du plan supérieur peuvent être supérieures, inférieures ou égales aux dimensions du plan inférieur suivant l'orientation voulue du rayonnement, vers le sol, l'horizon ou encore le ciel. La forme des plaques peut être rectangulaire, circulaire, carrée, ovoïde ou polygonal complexe selon la surface acceptable par le porteur et la spécification relative à l'omnidirectionalité des diagrammes de rayonnement.
Les figures 2A et 2B représentent une proposition d'intégration de l'antenne 1 munie des éléments 2, 3, 4 selon l'invention sur un véhicule V de type 4x4. Les éléments 2, 3, 4 sont placés de manière à compenser par exemple la dissymétrie du véhicule qui influe sur l'omnidirectionnalité.
Les figures 3A et 3B représentent une proposition d'intégration de l'antenne 1 munie des liens métalliques chargés résistivement sur un véhicule 11 de type Véhicule de l'Avant Blindé. Les éléments 2, 3, 4 sont placés de manière à compenser par exemple la dissymétrie du véhicule et le positionnement de l'antenne qui influe sur l'omnidirectionnalité.
La figure 4 représente le rapport d'onde stationnaire obtenu pour une configuration de l'antenne 1, avec et sans les liens métalliques chargés résistivement et avec et sans véhicule porteur. L'invention permet une amélioration significative de l'adaptation en basse fréquence sans dégrader l'adaptation sur le reste de la bande. L'invention permet également au véhicule porteur de contribuer à l'adaptation de l'antenne 1. La courbe I correspond au ROS en fonction de la fréquence pour une antenne seule (sans véhicule et sans lien métallique chargé résistivement), la courbe II correspond à une antenne sans véhicule et avec liens métalliques chargés résistivement, la courbe III correspond à une antenne montée sur un véhicule et avec des liens chargés résistivement.
La figure 5 représente, exprimé en dB, le gain réalisé à l'horizon en polarisation verticale sur la bande de fréquences 30-3000 MHz. L'utilisation de l'invention en présence d'un véhicule porteur V permet une augmentation significative du gain en basse fréquence et une stabilisation de ce dernier sur les fréquences intermédiaires par un choix judicieux du positionnement des éléments 2, 3, 4. Le gain en haute fréquence n'est pas dégradé par la présence de ces éléments. La courbe IV représente la courbe obtenue sans véhicule avec des liens métalliques chargés résistivement, la courbe V, une antenne montée sur véhicule et liens métalliques chargés résistivement.
Dans le domaine de l'interception dédié à de la protection de convois dans la bande de fréquence variant de 30 MHz à 3000 MHz, l'antenne selon l'invention présente notamment les avantages suivants :

● L'extension de bande en basse fréquence (30-100 MHz) est obtenue grâce aux liens métalliques chargés par des résistances de puissance. Les liens entre les deux plaques de l'antenne de référence permettant d'exciter le véhicule porteur susceptible de rayonner aux basses fréquences. La modularité des liens métalliques permet une disposition adaptée à chaque véhicule porteur en réduisant les défauts d'omnidirectionalité propre à chaque véhicule.
● L'adaptation dans la bande d'extension (30-100 MHz) est obtenue par le choix de la position des liens métalliques chargés par des résistances de puissance et par les valeurs de ces résistances. Les liens métalliques ne perturbent que très modestement l'adaptation de l'antenne de référence dans la bande supérieure (100-30000 MHz).
● La compacité est obtenue dans la bande d'extension grâce à l'excitation du véhicule qui participe alors au rayonnement,

Claims

Dispositif modulable permettant d'élargir la bande d'utilisation d'une antenne omnidirectionnelle très large bande ladite antenne (1) étant disposée sur un véhicule porteur V, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants :
● Une première plaque conductrice supérieure (5) pourvue d'un ou plusieurs emplacements (8) permettant de maintenir des liens métalliques (2), lesdits liens métalliques (2) étant chargés avec un circuit d'adaptation constitué de résistance de puissance (3),

● Une deuxième plaque conductrice inférieure (6) pourvue elle aussi d'un ou plusieurs emplacements (8) permettant de réaliser les contacts électriques entre les résistances de puissance (3) et ladite plaque par des liens métalliques (4),

● Ladite antenne (1) comprend un excitateur large bande (7) ayant une surface externe et un profil de surface adaptés à générer ou capter un champ électrique à polarisation verticale linéaire créé entre les deux plaques (5, 6), ledit champ électrique se propageant au sein d'une structure de guidage formée par la première plaque (5), la deuxième plaque (6) et le moyen d'excitation large bande (7), ledit excitateur large bande étant de forme « pseudo-conique » et constitué de facettes conductrices, de tissu métallique ou de tiges métalliques.
Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la plaque conductrice inférieure (6) de l'antenne (1) est une plaque indépendante rapportée au véhicule porteur V ou une partie conductrice du véhicule porteur.
Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits emplacements (8) prévus sur les plaques (5, 6) sont des trous ou orifices permettant un réglage ou un déplacement aisé des liens métalliques (2,4) et un circuit d'adaptation constitué de résistances de puissance (3).
Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 3 caractérisé en ce que les matrices de trous ou emplacements (8) sont étendues sur le pourtour des plans métalliques (5, 6) et jusqu'à proximité de la jonction du plan métallique supérieur (5) et de la partie supérieure (9) de l'excitateur large bande (7).
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que lesdits liens métalliques (2) sont inclinés ou perpendiculaires aux plans (5, 6).
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le nombre et la disposition des liens métalliques (2,4) pourvus du circuit d'adaptation constitué de résistances de puissance (3) sont définis en tenant compte du porteur sur lequel est disposée l'antenne (1).
Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que la valeur des résistances de puissance (3) sont adaptées en fonction de leur nombre et du porteur sur lequel est disposé l'antenne (1).
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les caractéristiques des résistances de puissance (3) sont choisies afin que l'antenne (1) soit utilisée pour des applications de forte puissance également dans la bande de fréquence étendue.
Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit d'adaptation est constitué d'un ou de plusieurs éléments choisis parmi la liste suivante : résistance, capacité et/ou self de puissance.
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la bande de fonctionnement de fréquence est entre 30MHz et 3 GHz.