EP3182512B1 - Antenne multi-acces - Google Patents

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Publication number
EP3182512B1
EP3182512B1 EP16203373.2A EP16203373A EP3182512B1 EP 3182512 B1 EP3182512 B1 EP 3182512B1 EP 16203373 A EP16203373 A EP 16203373A EP 3182512 B1 EP3182512 B1 EP 3182512B1
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EP
European Patent Office
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motif
polarisation
motifs
horizontal
antenna
Prior art date
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Active
Application number
EP16203373.2A
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German (de)
English (en)
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EP3182512A1 (fr
Inventor
William HUBERT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP3182512A1 publication Critical patent/EP3182512A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3182512B1 publication Critical patent/EP3182512B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/26—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole with folded element or elements, the folded parts being spaced apart a small fraction of operating wavelength
    • H01Q9/265—Open ring dipoles; Circular dipoles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/42—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength

Definitions

  • the invention relates to a multi-access antenna used in particular in the field of radio direction finding. It concerns the field of antennas and ultra-wideband antenna systems, for example compact systems in very high frequency VHF and ultra high frequency UHF bands for the reception of electromagnetic waves without distinction of polarization. It is also possible to use it in the high frequency or HF domain. It is intended for reception applications, although transmission applications are possible.
  • Modern direction finding systems are, for the most part, based on the measurement and processing of amplitude and phase data received by several radiating elements associated in a network. This data is called complex antenna responses, and the performance of these systems is directly related to the degree of diversity that this data contains.
  • the sensitivity of the sensor also depends on the gain performance of the radiating elements.
  • the integration on a vehicle or simply the transport of such a sensor implies a high compactness of the antenna network. Added to this ever-increasing constraint is the need to integrate networks covering other frequency domains as well as a need for visual discretion.
  • the sensitivity and precision of determining the direction of arrival cannot be sacrificed.
  • the notion of compactness could be characterized by the capacity of the network to be contained in a cubic volume of less than thirty centimeters on a side for a VHF/UHF application.
  • the production of a radiating element contained in such a small volume is already particularly complex.
  • its impedance matching is often achieved by the insertion of an attenuator which masks the standing waves and which further reduces the efficiency of the radiation or by the use of active matching.
  • To maintain a satisfactory gain from 30 MHz it is then necessary to use families of antennas that best occupy the allotted volume.
  • the creation of an antenna network, comprising several radiating elements in this same volume is all the more difficult and certainly represents one of the major problems that designers have to solve.
  • ultra-wideband antennas generates coupling phenomena between the antennas and with the supporting structure. They give rise to resonances that are often incompatible with a targeted application and the required frequency domain, the latter being greater than a decade.
  • the integration of the sensor into a complex operational environment, such as the roof of a vehicle which generates couplings degrading the radiation patterns of the antennas, their gain, but also their polarization state. This last observation leads to the design of sensors capable of processing a diversity of polarization in order to increase the reliability of their detections.
  • a logical way to deal with this polarization diversity naturally consists of diversifying the polarization state of the antennas constituting the network. For example, some radiators may feature vertical linear polarization, while others have horizontal polarization.
  • an “Adcock” antenna array (a term known in the field of antennas) consisting of combining omnidirectional elements in phase opposition or using loops with a bidirectional radiation pattern, it is possible to obtain a particularly compact network with a limited number of accesses.
  • this network Operated with a Watson-Watt type algorithm or a vector correlation, this network has two crossed bidirectional channels, each with a 0° lobe and a 180° lobe of relative phase, supplemented by an omnidirectional channel indicating the phase reference .
  • This classic scheme reduces the number of accesses to three in monopolarization. Their dimensions are very close to the objective set. However, to the applicant's knowledge, there is no such solution which has polarization diversity.
  • the patent US 8228258 presents an embodiment based on the concept of a multi-access or multiple-port antenna. Optimized for narrow band applications, when the shape of the radiating strands generates maximum insulation between the three ports, it offers the equivalent of three sectoral antennas 101, 102, 103 in a compact format.
  • the patent GB 2274953 relates to an antenna device for a navigation system comprising three loop-type antennas. These elementary antennas are nevertheless omnidirectional in the plane which contains them and are not electrically interconnected. The shielding role is ensured by a tubular shape.
  • the solution presented in the patent GB 2274953 cannot be used in radio direction finding due to the absence of dipole type antennas and must therefore be used with the assistance of ground stations.
  • pattern designates an antenna element which presents sectoral radiation according to a given polarization, for example a folded-charged dipole.
  • a given polarization for example a folded-charged dipole.
  • the object of the invention relates to a multi-access antenna comprising at least two antennal patterns formed by circular symmetry and with sectoral radiation according to a first polarization P1, the two patterns being interconnected between them by conductive parts which they share and both patterns have at least two accesses.
  • the antenna is characterized in that the two patterns consist of two shapes having the same center, a first external shape and a second internal shape connected by at least two conductive parts, a pattern with a first polarization P1 is formed by a first part of the first shape and a first part of the second shape, the two parts being connected by at least one first conductive part, said pattern comprising at least one charge and at least one access arranged opposite the charge.
  • the multi-access antenna consists of two concentric circles, a first outer circle of diameter ⁇ a and a second inner circle of diameter ⁇ b connected by at least two radial conductive parts, a pattern with a first polarization P1 is formed by a first part of the first circle and a first part of the second circle, the two parts being connected by at least one first conductive part, said pattern comprising at least one charge and at least one access arranged opposite the charge.
  • the multi-access antenna comprises at least one pattern with a second polarization P2 different from the first polarization P1, said pattern comprises a first part and a second part, the two parts being connected by at least one radial conductive part shared with the patterns with first polarization P1, said pattern with second polarization P2 includes an access and a charge arranged opposite an access, for the same pattern.
  • the antenna may comprise a lower part formed by symmetry of a upper part, each part comprising at least two patterns with a first polarization, each pattern is provided with an access and/or a load, the lower part of the the antenna and the upper part being connected by at least one pattern with second polarization P2.
  • the multi-access antenna has for example a height H and a width L, the value of the ratio L/H being chosen in order to optimize the sectoral radiation pattern Rs of a pattern.
  • the first polarization P1 and the second polarization P2 are orthogonal polarizations, with respectively a horizontal polarization P H and a vertical polarization P V.
  • the antenna may comprise at least three vertically polarized patterns interconnected by horizontally polarized patterns, the patterns being arranged to form a circular antenna.
  • a pattern constituting the antenna may have a tubular structure whose geometry and dimensions are adapted to the passage of power supply or signal transmission cables.
  • a vertically polarized pattern and/or a horizontally polarized pattern may be a folded-charged dipole.
  • the multi-access antenna comprises, for example, a support plate and a mast.
  • the antenna may be a receiving antenna. It can be used in VHF/UHF frequency bands. It can also be used for radio direction finding.
  • THE figures 2A And 2B illustrate a first embodiment of a multi-access antenna according to the invention.
  • FIG. 2A schematizes a horizontally polarized multi-access antenna with two-element circular symmetry sufficient for nominal operation of the invention.
  • the antenna is made up of two concentric shapes, for example an outer circle 200a of diameter ⁇ a, and an inner circle 200b of diameter ⁇ b connected by radial conductive parts 200 rj whose number is equal to the number of horizontal patterns of the antenna.
  • the assembly formed by a first half of the outer circle 200a, a first half of the inner circle 200b, the two parts being connected by a first conductive part 200 r1 , and a second conductive part 200 r2 constitutes a first horizontal pattern 210.
  • the assembly formed by the second half of the outer circle 200a and the second half of the inner circle 200b connected by the aforementioned first conductive part and the second conductive part constitutes a second horizontal pattern 220.
  • Each pattern 210, 220 comprises an access 211, 221 and a charge 212, 222, an access being arranged opposite the charge of the same pattern.
  • the two horizontal patterns are thus electrically connected thanks to the radial conductive parts that they share.
  • the antenna could be made up of non-circular shapes, having the same center, such as polygons or any other shape.
  • FIG. 2B represents a view of a multi-access antenna according to the invention constructed from the antenna of the Figure 2A to which we add two vertical polarization patterns P V .
  • a pattern 230 comprises for example a first part 230a and a second part 230b, the two parts being connected by a radial conductive part 200 r1 shared with the horizontal patterns.
  • a vertical polarization pattern 230, 240 includes an access 231, 241 and a load 232, 242 arranged opposite an access, for the same pattern.
  • the lower part of the antenna is formed by symmetry of the upper part.
  • the two horizontal patterns are thus electrically connected thanks to the parts radial conductors 200' r1 , 200' r2 which they share.
  • the radial parts ensure electrical continuity between the different elements forming a pattern of the antenna.
  • the two horizontal patterns on the bottom will not necessarily be functional. For example, when they are arranged in the vicinity of a support plate, the access will be replaced by a load by a principle of equivalence with the characteristic impedance that the accesses present. The same goes for any access that is not used.
  • the horizontally polarized and vertically polarized patterns are in this example folded-charged dipoles.
  • a pattern will be arranged in such a way that its access allows sectoral radiation Rs, for example towards the outside of the antenna 200, while a load will rather be placed towards the inside of the antenna. According to the same principle of equivalence mentioned above, it is nevertheless possible to replace the loads with accesses to benefit from additional transmission or reception channels.
  • the multi-access antenna thus formed is defined in particular by its height H and the width L of an elementary pattern.
  • the height H corresponds substantially to the length of a vertical element forming the vertical pattern and the width L corresponds to ( ⁇ a- ⁇ b)/2.
  • the choice of the value of the L/H ratio will be chosen such that it optimizes the front/rear ratio of the Rs diagram, in relation to the level of cross polarization that a single pattern displays.
  • a load 212 for example, 200 ⁇ located opposite the power supply port 211 (or access) guarantees stability of its impedance over a very wide frequency band.
  • THE figures 3A , 3B And 3C respectively represent an antenna 300, a first top view, an iso view, a view integrating a support plate 400 and a service mast 410, a multi-access antenna composed of four vertical patterns and four horizontal patterns for a total of eight accesses.
  • the four horizontal patterns located in the lower part, formed by symmetry of the upper part, are not used in this example, because they are located in direct proximity to the support plate 400.
  • the plate 400 has, for example, the role of separator for other antennal elements or other antennas.
  • FIG. 3A schematizes the arrangement of the four horizontal polarization patterns constructed in a manner similar to the representation Figure 2A .
  • the upper part of the antenna 300 is made up of two concentric shapes, for example an external torus 300a of diameter ⁇ a, and an internal torus 300b of diameter ⁇ b, connected by radial conductive parts 300 rj whose number is equal to the number of horizontal patterns of the antenna.
  • the assembly formed by a quarter of the outer circle 300a, a quarter of the inner circle 300b, the two parts being connected by a first conductive part 300 r1 and a second conductive part 300 r2 constitutes a first horizontal pattern 310.
  • the upper part is thus constructed by four horizontal polarization patterns 310, 320, 330, 340, each sharing a radial conductive part with its adjacent pattern.
  • Each pattern 310, 320, 330, 340 comprises an access 311, 321, 331, 341 and a charge 312, 322, 332, 342, an access being arranged opposite the charge of the same pattern.
  • the four horizontal patterns are thus electrically connected thanks to the radial conductive parts that they share, 300 r1 , 300 r2 , 300 r3 , 300 r4 .
  • FIG. 3B vertically polarized patterns are defined ( Figure 3B ) according to the principle laid down in Figure 2B .
  • Antenna 300 is constructed by rotating duplicating a vertically polarized pattern.
  • the angle ⁇ between two vertical patterns will correspond to 90°, which will make it possible to obtain homogeneous azimuthal coverage over 360°.
  • This arrangement makes it possible to form the equivalent of a circular network with four sectoral elements, of which the vertical polarization is main.
  • a vertical polarization pattern 350, 360, 370, 380 comprises for example a first part 350a, 360a, 370a, 380a and a second part 350b, 360b, 370b, 380b, the two parts being connected by a radial conductive part 300 r1 , 300 r2 , 300 r3 , 300 r4 shared with adjacent horizontal patterns.
  • Each vertical pattern 350, 360, 370, 380 includes an access 351, 361, 371, 381 and a load 352, 362, 372, 382 arranged opposite an access for the same pattern.
  • the lower part is formed by symmetry of the upper part. It thus comprises four horizontally polarized patterns 310', 320', 330', 340', each of which shares a radial conductive portion 300' r1 , 300' r2 , 300' r3 , 300' r4 , with its adjacent pattern.
  • Each pattern 310', 320', 330', 340' comprises an access 311', 321', 331', 341' and a load 312', 322', 332', 342,' an access being arranged opposite of the charge of the same motive.
  • the four horizontal patterns are thus electrically connected thanks to the radial conductive parts that they share, 300' r1 , 300' r2 , 300' r3 , 300' r4 .
  • These last four elements will not be used in this example, since they are arranged near the support plate 400 ( Figure 3C ), and are therefore always loaded by a technique known to those skilled in the art to symmetrize the radiation diagrams and improve the decoupling with the support plate and an access will be replaced by a load.
  • a pattern with horizontal polarization or vertical polarization has a tubular section in this example to allow the passage of power cables (not shown for reasons of simplification), accesses from the service mast 410.
  • the antenna is then characterized by its exterior diameter ⁇ a , which is determined in relation to the bulk constraint (30 cm in this example), by its interior diameter ⁇ b and by its height H.
  • the height H is determined, for example, depending on the maximum frequency of use of the antenna (close to ⁇ /2), the internal diameter ⁇ b is chosen such that it optimizes the radiation pattern (front/back ratio) and in at the same time the level of cross polarization, then the value of L is deduced.
  • the height of the antenna H and therefore of the vertical patterns is chosen, for example, substantially equal to the external diameter, the performances according to the two main polarizations are then similar.
  • the solutions with three vertical polarization patterns and three horizontal polarization patterns ( Figures 7A to 7C ) or six ports, and with four vertical polarization patterns and four horizontal polarization patterns or eight ports, for example, both have a height of 25 cm for an external diameter of 27 cm, dimensions to which must be added the diameter of the tubes which is chosen in particular according to the diameter and the number of cables having to pass through the tubes. An internal diameter of 12 cm is then deduced from these values.
  • FIG. 5 schematizes a radiation pattern in azimuth of a vertical element, in vertical polarization and at zero site for the following frequencies 30 MHz, 510, 100 MHz, 520, 500 MHz, 530.
  • FIG. 6 schematizes an azimuth radiation diagram of a horizontal element, in horizontal polarization and at zero site, for the frequencies 30MHz, 610, 100MHz, 620 and 500MHz, 630.
  • the Figures 7A to 7C present a six-port version of the antenna.
  • This antenna is constructed in a manner similar to the construction of the four-pattern vertically polarized antenna, this time using three horizontal patterns 710, 720, 730, for the upper part and three vertical patterns 740, 750, 760 and with an angle ⁇ of 120° between the vertical patterns.
  • the antenna 700 can also include three horizontal patterns 710', 720', 730' arranged in the lower part of the antenna.
  • a vertical pattern is duplicated by rotation to obtain patterns positioned with an angle of 120° between them. This still ensures 360° antenna scanning.
  • Each horizontal pattern 710, 720, 730, 710', 720', 730' or vertical pattern 740, 750, 760 includes an access 711, 721, 731, 711', 721', 731' 741, 751, 761 and a load 712 , 722, 732, 712', 722', 732', 742, 752, 762.
  • the accesses for the patterns arranged in the lower part are replaced by loads if the antenna includes a plate 400.
  • Two horizontal patterns are thus electrically connected thanks to the radial conductive parts 700ri that they share.
  • a vertical pattern is connected to a horizontal pattern using a radial conductive part.
  • the multi-access antenna according to the invention makes it possible in particular to satisfy the gain and polarization requirements with a limited number of accesses depending on the applications in a reduced footprint. Each access thus benefits from all or part of the structure to increase radio performance.
  • the multi-access antenna makes it possible to eliminate resonances between the radiating elements.
  • it does not require an active element to operate.
  • the degree of diversity introduced by the directive elements offers interesting direction finding precision despite the compactness of the antenna.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Description

  • L'invention concerne une antenne multi-accès utilisée notamment dans le domaine de la radiogoniométrie. Elle concerne le domaine des antennes et des systèmes d'antennes ultra large bande, par exemple des systèmes compacts en bandes très haute fréquence VHF et ultra haute fréquence UHF pour la réception d'ondes électromagnétiques sans distinction de la polarisation. Il est aussi possible de l'utiliser dans le domaine des hautes fréquences ou HF. Elle est destinée à des applications en réception, bien que des applications en émission soient possibles.
  • Les systèmes de radiogoniométrie modernes reposent, pour la plupart, sur la mesure et le traitement des données d'amplitude et de phase reçues par plusieurs éléments rayonnants associés en réseau. Ces données sont appelées réponses complexes d'antennes et les performances de ces systèmes sont directement liées au degré de diversité que contiennent ces données. La sensibilité du capteur dépend également des performances en gain des éléments rayonnants. Par ailleurs, l'intégration sur véhicule ou simplement le transport d'un tel capteur impliquent une grande compacité du réseau d'antennes. A cette contrainte, toujours plus forte, s'ajoutent la nécessité d'intégrer des réseaux couvrant d'autres domaines fréquentiels ainsi qu'un besoin de discrétion visuel. Pourtant, la sensibilité et la précision de détermination de la direction d'arrivée ne sauraient être sacrifiées. Dans ce contexte, la notion de compacité pourrait être caractérisée par la capacité du réseau à être contenu dans un volume cubique inférieur à trente centimètres de côté pour une application en VHF/UHF. Ainsi, pour des fréquences de quelques dizaines à quelques centaines de MHz, la réalisation d'un élément rayonnant contenu dans un si faible volume est déjà particulièrement complexe. Considéré comme électriquement petit, son adaptation d'impédance est souvent réalisée par l'insertion d'un atténuateur qui masque les ondes stationnaires et qui réduit d'autant l'efficacité du rayonnement ou par l'utilisation d'une adaptation active. Pour maintenir un gain satisfaisant dès 30 MHz, il est alors nécessaire de faire appel à des familles d'antennes occupant au mieux le volume imparti. Aussi, la réalisation d'un réseau d'antennes, comprenant plusieurs éléments rayonnants dans ce même volume est-elle d'autant plus difficile et représente certainement l'un des problèmes majeurs que les concepteurs ont à résoudre.
  • De surcroît, l'assemblage d'antennes ultra large bande engendre des phénomènes de couplage entre les antennes et avec la structure porteuse. Ils donnent lieu à des résonnances souvent incompatibles d'une application visée et du domaine fréquentiel requis, ce dernier étant supérieur à une décade. A ces difficultés, s'ajoute l'intégration du capteur à un environnement opérationnel complexe, tel que le toit d'un véhicule qui engendre des couplages dégradant les diagrammes de rayonnement des antennes, leur gain, mais aussi leur état de polarisation. Cette dernière constatation conduit à concevoir des capteurs capables de traiter une diversité de polarisation afin d'accroître la fiabilité de leurs détections.
  • Une manière logique de traiter cette diversité de polarisation consiste naturellement à diversifier l'état de polarisation des antennes constituant le réseau. Par exemple, certains éléments rayonnants peuvent arborer une polarisation linéaire verticale, tandis que d'autres sont à polarisation horizontale.
  • Une autre difficulté rencontrée est la réalisation mécanique de tels systèmes qui induit des contraintes de coût et de résistance à un environnement sévère.
  • Différentes antennes et réseaux d'antennes sont décrits dans l'art antérieur dont certains exemples vont être donnés ci-après.
  • Pour des fréquences de quelques dizaines à quelques centaines de MHz, les réseaux compacts de radiogoniométrie n'offrent pas une diversité de phase suffisante, dès lors que les éléments rayonnants exploités sans formation de voie sont omnidirectionnels. Ainsi, les solutions commercialisées par la société Rohde et Schwartz sous la référence ADD197® et par la société TCI pour le dispositif 647D® possèdent une capacité de réception en polarisation verticale et en polarisation horizontale mais présentent un diamètre encombrant supérieur à un mètre. La solution de la société TCI est constituée d'éléments rayonnants qui s'apparentent à des antennes sectorielles de type vivaldi (terme connu de l'homme du métier) mais leurs dimensions rendent peu probable l'établissement d'un rayonnement directif en bande VHF. De plus, ces deux solutions sont composées, pour chaque polarisation, de neuf éléments rayonnants dont les dimensions très réduites impliquent l'utilisation d'une adaptation d'impédance active. Or, ce procédé augmente leur susceptibilité radioélectrique en présence d'émissions co-site. Enfin, ce nombre important d'éléments impose un cycle de commutation plus long que celui requis avec une quantité réduite d'accès ou impose de recourir à une architecture de réception complexe.
  • À l'aide d'un réseau d'antennes « Adcock » (terme connu dans le domaine des antennes) consistant à combiner en opposition de phase des éléments omnidirectionnels ou en utilisant des boucles au diagramme de rayonnement bidirectionnel, il est possible d'obtenir un réseau particulièrement compact et dont le nombre d'accès est limité. Exploité avec un algorithme de type Watson-Watt ou une corrélation vectorielle, ce réseau possède deux voies bidirectionnelles croisées, avec chacune, un lobe à 0° et un lobe à 180° de phase relative, complétées par une voie omnidirectionnelle indiquant la référence de phase. Ce schéma classique réduit le nombre d'accès à trois en monopolarisation. Leurs dimensions sont très proches de l'objectif fixé. Toutefois il n'existe pas, à la connaissance du demandeur, de telle solution qui soit à diversité de polarisation.
  • Une autre solution pour obtenir la compacité requise tout en proposant une capacité de traitement en diversité de polarisation est décrite dans le document de A. Nehorai and E. Paldi, intitulé « Vector Sensor Processing for Electromagnetic Source Localization », Proc. 25th Asilomar Conf. Signals, Syst. Comput., pp. 566-572, Pacific Grove, CA, Nov. 1991. Le réseau décrit est composé de trois boucles et de trois dipôles. Ce type de réseau permet, en théorie, de déterminer la direction d'arrivée d'une onde électromagnétique de polarisation quelconque, pour tout azimut et toute élévation.
  • La demande de brevet US20140266888 présente une antenne qui permet de déterminer la direction d'arrivée des trajets ionosphériques de 3 à 30 MHz, avec discrimination de l'état de polarisation. Une transposition en V/UHF et sur un domaine fréquentiel supérieur à une décade semble toutefois difficile. En effet, ce concept est fondé sur l'utilisation d'antennes-boucles électriquement petites, limitant de fait la largeur de bande et/ou la sensibilité du capteur.
  • Enfin, le brevet US 8228258 présente une réalisation basée sur le concept d'antenne multi-accès ou à ports multiples. Optimisée pour des applications en bande étroite, lorsque la forme des brins rayonnants engendre un maximum d'isolation entre les trois ports, elle offre l'équivalent de trois antennes sectorielles 101, 102, 103 dans un format compact.
  • Le brevet GB 2274953 concerne un dispositif antennaire pour système de navigation comprenant trois antennes de type boucle. Ces antennes élémentaires sont néanmoins omnidirectionnelles dans le plan qui les contient et ne sont pas interconnectées électriquement. Le rôle de blindage est assuré par une forme tubulaire. En outre, la solution présentée dans le brevet GB 2274953 n'est pas utilisable en radiogoniométrie par l'absence d'antennes de type dipolaire et doit donc être utilisée avec le concours de stations au sol.
  • L'inconvénient principal des solutions à double polarisation connues du demandeur est leur encombrement qui ne permet pas un transport aisé du réseau lorsque celui-ci est débarqué ou leur intégration sur certains types de porteurs. Les réseaux conformes aux contraintes d'intégration fixées ne permettent pas quant à eux de traiter plusieurs polarisations. Pour les antennes vectorielles, il semble difficile d'obtenir un réseau à la fois sensible et large bande sur un domaine fréquentiel supérieur à une décade. Enfin, les antennes multi-accès développées jusqu'à présent semblent réservées à des applications en bande étroite avec diversité d'antennes en réception ou en émission et réception de type SIMO/MIMO (Single Input Multiple Output / Multiple Input Multiple Output) et avec un nombre de voies limité à deux ou trois.
  • A titre d'exemple, les réseaux V/UHF de goniométrie existants ne permettent pas d'avoir simultanément :
    • Un diamètre et une hauteur proches de 30 cm,
    • Des éléments rayonnants autoadaptés, ne nécessitant pas d'adaptation active de l'impédance,
    • Une capacité de réception multipolarisation avec un nombre limité d'éléments rayonnants (six à huit),
    • Un gain pour chaque polarisation primaire convenable à 30 MHz et sans perte additionnelle à 500 MHz, afin de préserver la sensibilité du capteur.
  • Dans la suite de la description on désigne sous le mot « motif » ou « motif antennaire » un élément antennaire qui présente un rayonnement sectoriel selon une polarisation donnée, par exemple un dipôle replié-chargé. On désignera par motif vertical un motif à polarisation verticale et par motif horizontal un motif à polarisation horizontale.
  • L'objet de l'invention concerne une antenne multi-accès comportant au moins deux motifs antennaires formés par symétrie circulaire et à rayonnement sectoriel selon une première polarisation P1, les deux motifs étant interconnectés entre eux par des pièces conductrices qu'ils se partagent et les deux motifs comportent au moins deux accès.
  • L'antenne est caractérisée en ce que les deux motifs sont constitués de deux formes ayant un même centre, une première forme externe et une deuxième forme interne reliées par au moins deux pièces conductrices, un motif avec une première polarisation P1 est formé par une première partie de la première forme et une première partie de la deuxième forme, les deux parties étant reliées par au moins une première pièce conductrice, ledit motif comportant au moins une charge et au moins un accès disposé à l'opposé de la charge.
  • Selon une autre variante de réalisation, l'antenne multi-accès est constituée de deux cercles concentriques, un premier cercle externe de diamètre φa et un deuxième cercle interne de diamètre φb reliés par au moins deux pièces conductrices radiales, un motif avec une première polarisation P1 est formé par une première partie du premier cercle et une première partie du deuxième cercle, les deux parties étant reliées par au moins une première pièce conductrice, ledit motif comportant au moins une charge et au moins un accès disposé à l'opposé de la charge.
  • Selon une autre variante de réalisation, l'antenne multi-accès comporte au moins un motif avec une deuxième polarisation P2 différente de la première polarisation P1, ledit motif comporte une première partie et une deuxième partie, les deux parties étant reliées par au moins une pièce conductrice radiale partagée avec les motifs à première polarisation P1, ledit motif à deuxième polarisation P2 comporte un accès et une charge disposée à l'opposée d'un accès, pour un même motif.
  • L'antenne peut comporter une partie basse formée par symétrie d'une partie haute, chaque partie comportant au moins deux motifs avec une première polarisation, chaque motif est pourvu d'un accès et/ou d'une charge, la partie basse de l'antenne et la partie haute étant reliées par au moins un motif à deuxième polarisation P2.
  • L'antenne multi-accès a par exemple une hauteur H et une largeur L, la valeur du rapport L/H étant choisie afin d'optimiser le diagramme de rayonnement sectoriel Rs d'un motif.
  • La première polarisation P1 et la deuxième polarisation P2 sont des polarisations orthogonales, avec respectivement une polarisation horizontale PH et une polarisation verticale PV.
  • L'antenne peut comporter au moins trois motifs à polarisation verticale reliés entre eux par des motifs à polarisations horizontales, les motifs étant disposés pour former une antenne circulaire.
  • Selon une autre variante de réalisation, l'antenne selon l'invention comporte au moins :
    • une partie haute formée par quatre motifs à polarisation horizontale, chaque motif partageant une partie conductrice radiale avec son motif adjacent, chaque motif horizontal comprend un accès et une charge, un accès étant disposé à l'opposé de la charge d'un même motif,
    • quatre motifs à polarisation verticale, chaque motif vertical comportant une première partie et une deuxième partie, les deux parties étant reliées par une pièce conductrice radiale partagée avec les motifs horizontaux adjacents, chaque motif vertical comporte un accès et une charge,
    • une partie basse symétrique de la partie haute comportant quatre motifs à polarisation horizontale, chaque motif partageant une partie conductrice radiale avec son motif adjacent, chaque motif comprend un accès et une charge, les quatre motifs horizontaux sont reliés électriquement grâce aux pièces conductrices radiales qu'ils se partagent.
  • Un motif constituant l'antenne peut avoir une structure tubulaire dont la géométrie et les dimensions sont adaptées au passage de câbles d'alimentation ou de transmission de signaux.
  • Un motif à polarisation verticale et/ou un motif à polarisation horizontale peut être un dipôle replié-chargé.
  • L'antenne multi-accès comporte, par exemple, un plateau support et un mât.
  • L'antenne peut être une antenne réceptrice. Elle peut être utilisée dans des bandes de fréquences VHF/UHF. Elle peut aussi être utilisée pour de la radiogoniométrie.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif et nullement limitatifs annexés des figures qui représentent :
    • Figure 1, un exemple d'antenne multi-accès selon l'art antérieur,
    • Figures 2A et 2B, un premier exemple d'une antenne multi-accès selon l'invention comprenant quatre motifs élémentaires horizontaux et deux motifs élémentaires verticaux,
    • Figures 3A à 3C, un exemple d'antenne multi-accès, sur une base de quatre motifs verticaux et huit motifs horizontaux, selon l'invention,
    • Figure 4, une représentation des termes de couplage en dB entre les accès en fonction de la fréquence,
    • Figure 5 et figure 6, une représentation de diagrammes de rayonnement, et
    • Figures 7A à 7C, un exemple de réalisation d'une antenne multi-accès à trois motifs verticaux et six motifs horizontaux.
  • Afin de mieux faire comprendre l'architecture de l'antenne selon l'invention, les exemples qui suivent sont donnés en prenant comme motif antennaire, un dipôle replié-chargé. Sans sortir du cadre de l'invention tout motif antennaire permettant un rayonnement sectoriel pourrait aussi être utilisé.
  • Les figures 2A et 2B illustrent un premier exemple de réalisation d'antenne multi-accès selon l'invention.
  • La figure 2A schématise une antenne multi-accès à polarisation horizontale avec une symétrie circulaire à deux éléments suffisant pour un fonctionnement nominal de l'invention. L'antenne est constituée de deux formes concentriques par exemple un cercle externe 200a de diamètre φa, et un cercle interne 200b de diamètre φb reliés par des pièces conductrices radiales 200rj dont le nombre est égal au nombre de motifs horizontaux de l'antenne. L'ensemble formé par une première moitié du cercle externe 200a, une première moitié du cercle interne 200b, les deux parties étant reliées par une première pièce conductrice 200r1, et une deuxième pièce conductrice 200r2, constitue un premier motif horizontal 210. De même, l'ensemble formé par la deuxième moitié du cercle externe 200a et la deuxième moitié du cercle interne 200b reliées par la première partie conductrice et la deuxième partie conductrice précitées constitue un second motif horizontal 220. Chaque motif 210, 220 comprend un accès 211, 221 et une charge 212, 222, un accès étant disposé à l'opposé de la charge d'un même motif. Les deux motifs horizontaux sont ainsi reliés électriquement grâce aux pièces conductrices radiales qu'ils se partagent. Sans sortir du cadre de l'invention, l'antenne pourra être constituée par des formes non circulaires, ayant un même centre, tels que des polygones ou toute autre forme.
  • La figure 2B représente une vue d'une antenne multi-accès selon l'invention construite à partir de l'antenne de la figure 2A à laquelle on adjoint deux motifs à polarisation verticale PV. Un motif 230 comporte par exemple une première partie 230a et une deuxième partie 230b, les deux parties étant reliées par une pièce conductrice radiale 200r1 partagée avec les motifs horizontaux. Un motif à polarisation verticale 230, 240 comporte un accès 231, 241 et une charge 232, 242 disposée à l'opposé d'un accès, pour un même motif.
  • La partie basse de l'antenne est formée par symétrie de la partie haute. Deux motifs à polarisation horizontale 250, 260 semblables aux motifs 210 et 220, sont ajoutés pour former la partie basse de l'antenne avec un accès 251, 261 et une charge 252, 262. Les deux motifs horizontaux sont ainsi reliés électriquement grâce aux pièces conductrices radiales 200'r1, 200'r2 qu'ils se partagent.
  • Les parties radiales permettent d'assurer la continuité électrique entre les différents éléments formant un motif de l'antenne. Les deux motifs horizontaux de la partie inférieure ne seront pas nécessairement fonctionnels. Par exemple, lorsqu'ils sont disposés au voisinage d'un plateau support, l'accès sera remplacé par une charge par un principe d'équivalence avec l'impédance caractéristique que présentent les accès. Il en va de même pour tout accès qui ne serait pas utilisé.
  • Les motifs à polarisation horizontale et à polarisation verticale sont dans cet exemple des dipôles repliés-chargés. Un motif sera disposé de façon telle que son accès permette un rayonnement sectoriel Rs, par exemple vers l'extérieur de l'antenne 200, alors qu'une charge sera plutôt disposée vers l'intérieur de l'antenne. Selon le même principe d'équivalence précité, il est néanmoins possible de remplacer les charges par des accès pour profiter de voies d'émission ou de réception supplémentaires.
  • L'antenne multi-accès ainsi formée est notamment définie par sa hauteur H et la largeur L d'un motif élémentaire. La hauteur H correspond sensiblement à la longueur d'un élément vertical formant le motif vertical et la largeur L correspond à (φa-φb)/2. De manière générale, le choix de la valeur du rapport L/H sera choisi tel qu'il optimise le rapport avant/arrière du diagramme Rs, par rapport au niveau de polarisation croisée qu'un motif seul arbore.
  • La présence d'une charge 212, par exemple, 200 Ω située à l'opposé du port d'alimentation 211 (ou accès) garantit une stabilité de son impédance sur une très large bande de fréquence.
  • Les figures 3A, 3B et 3C représentent respectivement une antenne 300, une première vue de dessus, une vue iso, une vue intégrant un plateau support 400 et un mât de desserte 410, d'une antenne multi-accès composée de quatre motifs verticaux et de quatre motifs horizontaux pour un total de huit accès. Les quatre motifs horizontaux situés dans la partie basse, formés par symétrie de la partie haute, ne sont pas utilisés dans cet exemple, car ils sont situés à proximité directe du plateau support 400. Le plateau 400 a, par exemple, un rôle de séparateur pour d'autres éléments antennaires ou d'autres antennes.
  • La figure 3A schématise l'agencement des quatre motifs à polarisation horizontale construit de manière similaire à la représentation figure 2A. La partie supérieure de l'antenne 300 est constituée de deux formes concentriques, par exemple un tore externe 300a de diamètre φa, et un tore interne 300b de diamètre φb, reliées par des pièces conductrices radiales 300rj dont le nombre est égal au nombre de motifs horizontaux de l'antenne. L'ensemble formé par un quart du cercle externe 300a, un quart du cercle interne 300b, les deux parties étant reliées par une première pièce conductrice 300r1 et une deuxième pièce conductrice 300r2, constitue un premier motif horizontal 310. La partie supérieure est ainsi construite par quatre motifs à polarisation horizontale 310, 320, 330, 340, chacun partageant une partie conductrice radiale avec son motif adjacent. Chaque motif 310, 320, 330, 340 comprend un accès 311, 321, 331, 341 et une charge 312, 322, 332, 342, un accès étant disposé à l'opposé de la charge d'un même motif. Les quatre motifs horizontaux sont ainsi reliés électriquement grâce aux pièces conductrices radiales qu'ils se partagent, 300r1, 300r2, 300r3, 300r4.
  • De même, les motifs à polarisation verticale sont définis (figure 3B) selon le principe posé à la figure 2B. L'antenne 300 est construite en dupliquant par rotation un motif à polarisation verticale. Par exemple, l'angle α entre deux motifs verticaux correspondra à 90°, ce qui permettra d'obtenir une couverture azimutale homogène sur 360°. Cette disposition permet de former l'équivalent d'un réseau circulaire à quatre éléments sectoriels, dont la polarisation verticale est principale. Un motif à polarisation verticale 350, 360, 370, 380 comporte par exemple une première partie 350a, 360a, 370a, 380a et une deuxième partie 350b, 360b, 370b, 380b, les deux parties étant reliées par une pièce conductrice radiale 300r1, 300r2, 300r3, 300r4 partagée avec les motifs horizontaux adjacents. Chaque motif vertical 350, 360, 370, 380 comporte un accès 351, 361, 371, 381 et une charge 352, 362, 372, 382 disposée à l'opposé d'un accès pour un même motif.
  • La partie basse est formée par symétrie de la partie haute. Elle comporte ainsi quatre motifs à polarisation horizontale 310', 320', 330', 340' dont chacun partage une partie conductrice radiale 300'r1, 300'r2, 300'r3, 300'r4, avec son motif adjacent. Chaque motif 310', 320', 330', 340' comprend un accès 311', 321', 331', 341' et une charge 312', 322', 332', 342,' un accès étant disposé à l'opposé de la charge d'un même motif. Les quatre motifs horizontaux sont ainsi reliés électriquement grâce aux pièces conductrices radiales qu'ils se partagent, 300'r1, 300'r2, 300'r3, 300'r4. Ces quatre derniers éléments ne seront pas utilisés dans cet exemple, puisqu'ils sont disposés à proximité du plateau-support 400 (figure 3C), et sont donc toujours chargés par une technique connue de l'homme de métier pour symétriser les diagrammes de rayonnement et améliorer le découplage avec le plateau support et un accès sera remplacé par une charge.
  • Un motif à polarisation horizontale ou à polarisation verticale, a une section tubulaire dans cet exemple pour permettre le passage de câbles d'alimentation (non représentés pour des raisons de simplification), des accès depuis le mât de desserte 410.
  • L'antenne est alors caractérisée par son diamètre extérieur øa, qui est déterminé par rapport à la contrainte d'encombrement (30 cm dans cet exemple), par son diamètre intérieur øb et par sa hauteur H. La hauteur H est déterminée, par exemple, en fonction de la fréquence maximale d'utilisation de l'antenne (proche de λ/2), le diamètre intérieur øb est choisi de façon telle qu'il optimise le diagramme de rayonnement (rapport avant/arrière) et en même temps le niveau de polarisation croisée, puis la valeur de L est déduite. Lorsque la hauteur de l'antenne H et donc des motifs verticaux est choisie, par exemple, sensiblement égale au diamètre extérieur, les performances selon les deux polarisations principales sont alors similaires. Ainsi, pour un fonctionnement en V/UHF, les solutions à trois motifs à polarisation verticale et trois motifs à polarisation horizontale (figures 7A à 7C) ou six ports, et à quatre motifs à polarisation verticale et quatre motifs à polarisation horizontale ou huit ports, par exemple, ont toutes les deux une hauteur de 25 cm pour un diamètre extérieur de 27 cm, dimensions auxquelles il faut ajouter le diamètre des tubes qui est notamment choisi en fonction du diamètre et du nombre de câbles devant passer par les tubes. Un diamètre intérieur de 12 cm est alors déduit de ces valeurs.
  • La figure 4 représente le niveau de couplage en dB qui existe entre :
    • deux accès correspondants à des éléments verticaux contigus 450,
    • deux accès correspondants à des éléments horizontaux contigus 460,
    • un accès vertical et un accès horizontal contigus 470.
    Il est ainsi possible de montrer que le couplage est du même ordre que celui obtenu avec deux antennes ultra large bande séparées par leur excitation de 30 cm.
  • La figure 5 schématise un diagramme de rayonnement en azimut d'un élément vertical, en polarisation verticale et à site nul pour les fréquences suivantes 30 MHz, 510, 100 MHz, 520, 500 MHz, 530.
  • La figure 6 schématise un diagramme de rayonnement en azimut d'un élément horizontal, en polarisation horizontale et à site nul, pour les fréquences 30MHz, 610, 100MHz, 620 et 500MHz, 630.
  • Les figures 7A à 7C présentent une version à six accès de l'antenne. Cette antenne est construite de manière similaire à la construction de l'antenne à quatre motifs à polarisation verticale, en utilisant cette fois-ci trois motifs horizontaux 710, 720, 730, pour la partie supérieure et trois motifs verticaux 740, 750, 760 et avec un angle α de 120° entre les motifs verticaux. L'antenne 700 peut aussi comporter trois motifs horizontaux 710', 720', 730' disposés dans la partie inférieure de l'antenne. Dans cet exemple, un motif vertical est dupliqué par rotation afin d'obtenir des motifs positionnés avec un angle de 120° entre eux. Ceci permet encore d'assurer un balayage antennaire de 360°. Chaque motif horizontal 710, 720, 730, 710', 720', 730' ou vertical 740, 750, 760 comporte un accès 711, 721, 731, 711', 721', 731' 741, 751, 761 et une charge 712, 722, 732, 712', 722', 732', 742, 752, 762. Les accès pour les motifs disposés dans la partie inférieure sont remplacés par des charges si l'antenne comprend un plateau 400.
  • Deux motifs horizontaux sont ainsi reliés électriquement grâce aux pièces conductrices radiales 700ri qu'ils se partagent. Un motif vertical est relié à un motif horizontal grâce à une pièce conductrice radiale.
  • Les deux dernières figures montrent également que les diagrammes obtenus sont relativement stables en fonction de la fréquence, même si les éléments tendent à devenir omnidirectionnels lorsque celle-ci augmente. Cela n'est toutefois pas problématique car la diversité de phase apparaît justement au fur et à mesure que la fréquence augmente.
  • L'antenne multi-accès selon l'invention permet notamment de satisfaire aux exigences de gain et de polarisation avec un nombre d'accès limité en fonction des applications dans un encombrement réduit. Chaque accès profite ainsi de toute ou partie de la structure pour augmenter les performances radioélectriques. D'autre part, l'antenne multi-accès permet d'éliminer les résonances entre les éléments rayonnants. De plus, pour une application en V/UHF, elle ne nécessite pas d'élément actif pour fonctionner. Enfin, le degré de diversité introduit par les éléments directifs offre une précision de goniométrie intéressante malgré la compacité de l'antenne.

Claims (12)

  1. - Antenne multi-accès (200, 300) comportant au moins deux motifs antennaires formés par symétrie circulaire et à rayonnement sectoriel selon une première polarisation P1 (210, 220), interconnectés entre eux par deux pièces conductrices radiales (200r1, 200r2) qu'ils se partagent et comportant au moins deux accès (211, 221), caractérisée en ce que les deux motifs sont constitués de deux formes ayant un même centre,
    un premier cercle externe (200a) de diamètre a et un deuxième cercle interne (200b) de diamètre b reliés par au moins deux pièces conductrices radiales (200rj), dont le nombre est égal au nombre de motifs horizontaux de l'antenne,
    un motif à polarisation P1 est formé par une première partie du premier cercle (200a) et une première partie du deuxième cercle (200b), les deux parties (200a, 200b) étant reliées par une première pièce conductrice (200r1), ledit motif comportant au moins une charge (212, 222) et au moins un accès (211, 221) disposé à l'opposé de la charge, et en ce qu'elle comporte au moins un motif (230) avec une deuxième polarisation P2 différente de la première polarisation P1, ledit motif (230) comporte une première partie (230a) et une deuxième partie (230b), les deux parties étant reliées par au moins une pièce conductrice radiale (200r1) partagée avec les motifs à première polarisation P1, ledit motif à deuxième polarisation P2 (230) comporte un accès (231) et une charge (232) disposée à l'opposé d'un accès, pour un même motif.
  2. - Antenne multi-accès selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte une partie basse formée par symétrie d'une partie haute, chaque partie comportant au moins deux motifs avec une première polarisation P1 (210, 220, 250, 260), pourvus d'un accès (211, 221, 251, 261) et/ou d'une charge (212, 222, 252, 262), la partie basse de l'antenne et la partie haute étant reliées par au moins un motif (230) à polarisation P2.
  3. - Antenne multi-accès selon la revendication 2 caractérisée en ce qu'elle a une hauteur H et une largeur L, la valeur du rapport L/H est choisie afin d'optimiser le diagramme de rayonnement sectoriel Rs d'un motif.
  4. - Antenne multi-accès selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la polarisation P1 et la polarisation P2 sont des polarisations orthogonales, avec respectivement une polarisation horizontale PH et une polarisation verticale PV.
  5. - Antenne multi-accès selon la revendication 4 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins trois motifs à polarisation verticale reliés entre eux par des motifs à polarisations horizontales, les motifs étant disposés pour former une antenne circulaire.
  6. - Antenne multi-accès selon la revendication 4 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins :
    • une partie haute formée par quatre motifs à polarisation horizontale (310, 320, 330, 340) chacun partageant une partie conductrice radiale (300r1, 300r2, 300r3, 300r4) avec son motif adjacent, chaque motif horizontal (310, 320, 330, 340) comprend un accès (311, 321, 331, 341) et une charge (312, 322, 332, 342), un accès étant disposé à l'opposé de la charge d'un même motif,
    • quatre motifs à polarisation verticale (350, 360, 370, 380) chaque motif vertical comportant une première partie (350a, 360a, 370a, 380a) et une deuxième partie (350b, 360b, 370b, 380b) les deux parties étant reliées par une pièce conductrice radiale (300r1, 300r2, 300r3, 300r4) partagée avec les motifs horizontaux adjacents, chaque motif vertical (350, 360, 370, 380) comporte un accès (351, 361, 371, 381) et une charge (352, 362, 372, 382),
    • une partie basse symétrique de la partie haute comportant quatre motifs à polarisation horizontale (310', 320', 330', 340') dont chacun partage une partie conductrice radiale (300'r1, 300'r2, 300'r3, 300'r4) avec son motif adjacent, chaque motif (310', 320', 330', 340') comprend un accès (311', 321', 331', 341') et une charge (312', 322', 332', 342') les quatre motifs horizontaux sont reliés électriquement grâce aux pièces conductrices radiales qu'ils se partagent (300'r1, 300'r2, 300'r3, 300'r4).
  7. - Antenne multi-accès selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'un motif a une structure tubulaire dont la géométrie et les dimensions sont adaptées au passage de câbles d'alimentation ou de transmission de signaux.
  8. - Antenne multi-accès selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisée en ce qu'un motif vertical et/ou un motif horizontal est un dipôle replié-chargé.
  9. - Antenne multi-accès selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisée en ce qu'elle comporte un plateau support (400) et un mât (410).
  10. - Antenne multi-accès selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'antenne est une antenne réceptrice.
  11. - Antenne multi-accès selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisée en ce qu'elle est adaptée pour une utilisation dans des bandes de fréquences VHF/UF.
  12. - Utilisation de l'antenne multi-accès selon l'une des revendications 1 à 10 pour la radiogoniométrie.
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