EP3902059B1

EP3902059B1 - Antenne directive large bande à émission longitudinale

Info

Publication number: EP3902059B1
Application number: EP21163164.3A
Authority: EP
Inventors: Leslie Smith
Original assignee: Airbus SAS
Current assignee: Airbus SAS
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2023-03-01
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: US11552409B2; FR3108797A1; US20210305716A1; EP3902059A1; CN113451748A

Description

Domaine technique

La présente invention concerne le domaine général des antennes et plus particulièrement des antennes à émission longitudinale de type Yagi-Uda. L'antenne selon la présente invention peut être avantageusement embarquée à bord d'un aéronef pour permettre des communications air-sol dans une large bande de fréquence.

Etat de la technique antérieure

Le nombre croissant de systèmes de communications embarqués sur les véhicules nécessite de pouvoir transmettre et recevoir dans une pluralité de bandes de fréquences, ce qui implique généralement de devoir installer sur un véhicule autant d'antennes que de systèmes de communications distincts qu'il comporte, cette multiplication d'antennes représentant une source de complexité tant pour l'installation que pour la maintenance. Il peut être alors intéressant, a fortiori lorsque les destinataires de ces communications sont colloqués ou proches en termes d'angle de visée, d'utiliser une antenne globale commune à l'ensemble de ces systèmes de communications. Ainsi par exemple, à bord d'un aéronef, plusieurs systèmes de communications air-sol utilisant des bandes de fréquence distinctes peuvent partager une antenne globale large-bande. L'avantage d'une telle mutualisation réside également dans une moindre protubérance à la surface de l'aéronef et par conséquent une trainée plus faible.
Par ailleurs, il est souvent préférable que les antennes embarquées présentent une grande directivité et donc un gain élevé, de manière à réduire la consommation énergétique et à augmenter le rapport signal sur bruit. De manière générale, le gain d'une antenne étant proportionnelle à la section efficace d'ouverture de l'antenne, elle-même proportionnelle à la surface de l'antenne dans le plan orthogonal à la direction du lobe principal, la recherche d'antennes à forte directivité conduit à des antennes de grandes dimensions dans le plan orthogonal à celui de la direction d'émission. Dans le cas précité de communications d'un aéronef avec le sol, le lobe principal de l'antenne doit présenter un faible angle d'élévation et la surface d'ouverture de l'antenne doit donc être importante dans un plan orthogonal à l'axe longitudinal de l'aéronef, ce qui accroît la trainée et donc la consommation de carburant.
L'antenne Yagi-Uda développée initialement pour l'aéronautique et universellement utilisée ensuite comme antenne TV est une antenne présentant à la fois une bonne directivité et une surface d'ouverture relativement réduite. Il est en effet connu de l'homme du métier que ce type d'antenne se compose d'un dipôle linéaire demi-onde, généralement replié, d'un élément parasite réflecteur situé en arrière et d'un ou plusieurs éléments parasites directeurs situés en avant de ce dipôle, tous montés sur un même mât, la direction du lobe principal étant donnée par la direction du mât. L'élément réflecteur présente une extension latérale plus grande que celle du dipôle, celui-ci présentant une extension latérale plus importante que celle des éléments directeurs. Les éléments parasites réflecteur et directeurs agissent comme des dipôles rayonnants alimentés par induction par le dipôle demi-onde qui est le seul alimenté par voie filaire. L'antenne Yagi-Uda peut être assimilée en première approximation à une antenne réseau dont les éléments seraient alimentés par induction mutuelle. En choisissant convenablement la position et l'espacement entre les différents éléments, les ondes émises par les différents éléments s'additionnent de manière constructive dans la direction du mât et de manière destructive dans la direction inverse.
Toutefois, un inconvénient majeur des antennes de type Yagi-Uda est leur fonctionnement en bande étroite les rendant inutilisables comme antenne large bande globale au sens précédent. En effet, leur bande fractionnelle, autrement dit le rapport entre leur largeur de bande sur leur fréquence centrale est de l'ordre de 10%.
Le document US8228254 B2 décrit des antennes dipôles et monopolaires de taille réduite, imprimées sur une face d'un substrat avec des patchs de chargement fendus aux extrémités de l'antenne, et une bande conductrice sur l'autre face pour former une structure dipôle ou monopolaire pliée.
Le document US 2019/280365 A1 présente une antenne encastrée dans ou sur des structures en verre comportant un appareil prolongeant un plan de masse sur une antenne à proximité d'une structure diélectrique, telle qu'un pare-brise, afin de coupler une onde rayonnée dans la structure diélectrique afin de contrôler l'inclinaison du diagramme de rayonnement de l'antenne.
L'article « A Dual-Band Microstrip fed Monopole Quasi - Yagi Antenna" (Nuangpirom pinit et al) décrit une antenne unipolaire et quasi-Yagi alimentée par microruban à double bande utilisable dans un point d'accès de réseau local sans fil (WLAN) à double bande.
Le document US 2014/043197 A1 décrit un ensemble d'antenne à bande ultralarge comprenant une structure réfléchissante électromagnétique pour réfléchir des ondes électromagnétiques, une antenne fonctionnellement associée à la structure réfléchissante électromagnétique, un directeur associé de manière opérationnelle à l'antenne.
Le document US7023396 B2 concerne une antenne large bande à rayonnement omnidirectionnel comprenant un premier monopôle circulaire ou semi-circulaire perpendiculaire à un plan de masse, et au moins un deuxième monopôle circulaire ou semi-circulaire, les monopôles étant positionnés les uns par rapport aux autres de manière à avoir un diamètre commun.
Un objet de la présente invention est par conséquent de proposer une antenne possédant une faible section efficace d'ouverture tout en offrant une large bande de fonctionnement et une directivité élevée.

Présentation de l'invention

La présente invention est définie par une antenne de type Yagi-Uda selon la revendication 1.
Selon une première variante, le retour conducteur s'étend parallèlement au disque et est situé derrière celui-ci, entre le disque et l'élément parasite réflecteur.
Selon une seconde variante, le retour conducteur s'étend parallèlement au disque et est situé devant celui-ci, entre le disque et l'élément parasite directeur.
Avantageusement, l'élément parasite réflecteur présente, dans la direction perpendiculaire au plan de masse, une dimension supérieure à celle de la plaque conductrice selon cette même direction.
De préférence, l'élément parasite directeur est configuré comme un monopole replié, comprenant un premier segment conducteur et un second segment conducteur, parallèles entre eux et à la plaque conductrice, lesdits premier et second segments conducteurs étant reliés en une première extrémité commune, du côté opposé au plan de masse et n'étant pas reliés à leurs secondes extrémités, du côté du plan de masse.
La plaque conductrice se présente sous la forme d'un disque et les premier et second segments conducteurs ont une longueur inférieure au diamètre de ce disque.
La bande passante de fonctionnement de l'antenne de type Yagi-Uda pourra couvrir plus d'une octave.
Enfin, l'invention concerne également un aéronef sur lequel est montée une antenne Yagi-Uda comme exposé ci-dessus, ladite antenne étant montée sur la partie inférieure du fuselage de l'aéronef, l'axe longitudinal de l'antenne étant sensiblement parallèle à l'axe longitudinal de l'aéronef et le plan de masse étant constitué par la peau du fuselage.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, décrit en référence aux figures jointes parmi lesquelles :

[Fig. 1] représente de manière schématique une antenne plaque monopolaire sous forme de disque ;
[Fig. 2] représente un diagramme donnant le coefficient de réflexion de l'antenne de la Fig. 1, en fonction de la fréquence ;
[Fig. 3] représente de manière schématique une antenne à émission longitudinale large bande selon un mode de réalisation de l'invention ;
[Fig. 4] représente un diagramme donnant le coefficient de réflexion de l'antenne de la Fig. 3 en fonction de la fréquence ;
[Fig. 5] représente le diagramme de rayonnement tridimensionnel de l'antenne de la Fig. 3;
[Fig. 6] représente un diagramme de rayonnement bidimensionnel de l'antenne de la Fig. 3 dans un plan d'élévation à 5°.

Description de modes de réalisation

Une première idée à la base de l'invention est de modifier une antenne de type Yagi-Uda, en choisissant comme élément rayonnant une plaque conductrice de manière à la rendre large bande sans lui faire perdre pour autant ses propriétés de directivité. Une seconde idée à la base de l'invention est de réduire l'extension latérale de cette antenne en utilisant un plan de masse pour adopter une configuration monopolaire. Cette configuration monopolaire est d'autant plus avantageuse que le plan de masse est disponible naturellement sous la forme d'une surface conductrice du véhicule lui-même.
Ainsi, le dipôle linéaire de l'antenne Yagi-Uda alimenté par voie filaire est remplacé ici de manière originale par une antenne plaque monopolaire, avantageusement choisie de forme circulaire.
Nous considérerons tout d'abord un monopole sous forme d'un disque rayonnant situé au-dessus d'un plan de masse, tel qu'illustré schématiquement en Fig. 1. Ce disque est alimenté à son extrémité inférieure O' par un signal d'antenne via un évidement aménagé à travers le plan de masse P. De manière connue en soi, le rayonnement d'un tel monopole est identique d'un dipôle équivalent constitué du monopole et de son image par rapport au plan de masse.
La bande passante de fonctionnement de l'antenne plaque circulaire est sensiblement supérieure à celle d'un monopole de hauteur égale au diamètre de l'antenne en question. A titre d'exemple, on a représenté en Fig. 2 un diagramme donnant le coefficient de réflexion (magnitude en décibels du paramètre S ₁₁ ) de l'antenne de la Fig. 1 en fonction de la fréquence du signal d'antenne, ce pour un diamètre de disque de 20mm. On remarque que la largeur de la bande de fonctionnement prise à 10dB s'étend sur une gamme de fréquence commençant à environ 3.3 GHz et allant au-delà de 12 GHz.
La Fig. 3 représente schématiquement une antenne à émission longitudinale large bande selon un mode de réalisation de l'invention.
L'antenne se présente dans une configuration monopolaire au sens où se située au-dessus d'un plan conducteur P faisant office de plan de masse. Le terme « au-dessus » est ici purement relatif et l'antenne pourra se situer sous le plan conducteur. Par exemple, si l'antenne est montée sous le fuselage d'un aéronef pour une communication avec le sol, on comprendra que l'antenne en question sera située sous le plan conducteur constitué par la peau du fuselage.
L'antenne représentée, 300, est à émission longitudinale (end-fire antenna) au sens où le signal émis par l'antenne le sera dans la direction Oz. Dans le cas du montage sur un aéronef, la direction Oz pourra être sensiblement parallèle à l'axe longitudinal de l'aéronef et pointer vers l'avant ou bien l'arrière de l'appareil. Alternativement, l'antenne pourra pointer dans une direction latérale.
L'antenne comprend un élément rayonnant, 320, sous la forme d'une plaque alimentée par voie filaire. Cet élément rayonnant est le seul élément de l'antenne à être alimenté directement, les autres éléments n'étant alimentés que par induction.
L'élément rayonnant 320 se présente sous la forme d'un disque.
Dans le cas d'un disque, le diamètre sera choisi de l'ordre de λ / 4 où λ est la longueur d'onde correspondant à la borne inférieure de la bande de fonctionnement de l'antenne.
Avantageusement, l'élément rayonnant 320 sera avantageusement monté sous forme repliée au moyen d'un retour conducteur 325 sensiblement parallèle à la plaque 321 et présentant une faible dimension transversale dans la direction Ox. Par exemple, le retour conducteur 325 pourra être constitué par une tige conductrice de faible diamètre ou une bande conductrice rigide de faible largeur. L'extrémité inférieure 326 du retour conducteur 325 est électriquement reliée à un plan de masse. A l'émission, le signal d'antenne est appliqué entre l'extrémité inférieure 322 et le plan de masse. De manière similaire, à la réception, le signal d'antenne est pris entre l'extrémité 322 et le plan de masse.
La forme repliée de l'élément rayonnant 320 est une caractéristique avantageuse de l'invention. Cette forme permet en effet d'augmenter l'impédance de l'élément rayonnant du monopole connu de l'art antérieur. En effet, si l'impédance d'un disque monopole est d'environ 37 Ohms, celle de ce monopole en configuration repliée est quatre fois plus élevée.
Le retour conducteur 325 pourra être situé devant la plaque 321 du monopole dans le sens de la direction longitudinale Oz. Par exemple, le retour conducteur pourra s'étendre parallèlement à la plaque et est situé devant celle-ci, entre la plaque (par exemple un disque) et l'élément parasite directeur. Alternativement et préférentiellement, ce retour conducteur sera situé derrière la plaque, entre la plaque (par exemple un disque) et un élément réflecteur passif, décrit ci-après, de manière à ne pas gêner la propagation dans le sens longitudinal.
L'antenne comporte également un élément réflecteur passif, 310, dit encore élément réflecteur parasite situé à l'arrière de l'élément rayonnant. Cet élément réflecteur pourra également se présenter sous différentes formes. De manière générale, l'élément réflecteur possèdera une dimension verticale (c'est-à-dire dans la direction Oy perpendiculaire au plan de masse) supérieure voire simplement légèrement supérieure à la dimension verticale de la plaque 321. Par exemple, la dimension verticale de l'élément réflecteur pourra excéder de 5% celle de la plaque rayonnante. De manière plus générale, l'élément réflecteur possèdera des dimensions transversales (perpendiculaires à l'axe Oz) supérieures à celle de la plaque rayonnante.
Ainsi, lorsque la plaque 321 se présente sous la forme d'un disque, l'élément réflecteur 310 pourra se présenter sous la forme d'un disque de plus grand diamètre voire d'un paraboloïde ayant une section efficace de plus grand diamètre et dont l'axe de révolution est confondu avec l'axe longitudinal Oz.
Avantageusement, l'antenne 300 comprend en outre un ou plusieurs éléments directeurs 330. Ces éléments directeurs peuvent posséder chacun la forme d'une tige verticale de diamètre quelconque ou, de préférence, d'une structure linéaire repliée sur elle-même présentant l'avantage d'être plus solide et plus légère. Dans ce cas, un tel élément directeur 330 comprend un premier segment perpendiculaire au plan de masse, sous la forme d'une tige ou d'une bande rigide conductrice et d'un second segment conducteur parallèle et de même forme, situé à une faible distance du premier. Les premier et second segments sont reliés ensemble à une première extrémité commune 331 du côté opposé au plan de masse. En revanche, les secondes extrémités respectives, 332 et 333, des premier et second segments situés du côté du plan de masse ne sont pas connectées entre elles.
De manière générale, le fait d'utiliser des éléments linéaires repliés sur euxmêmes permet d'améliorer la rigidité d'ensemble de l'antenne.
Les dimensions transversales des éléments directeurs 330 dans un plan orthogonal à l'axe Oz sont choisies inférieures voire légèrement inférieures aux dimensions transversales respectives de la plaque rayonnante 321. Par exemple, lorsque la plaque possède une forme circulaire, les premier et second segments d'un élément directeur ont une longueur de l'ordre de 5% plus courte que le diamètre du cercle.
L'élément réflecteur, 310, l'élément rayonnant, 320, composé de l'antenne plaque, et l'(es) élément(s) directeur(s), 330, sont avantageusement montés sur une surface substantiellement plate comme par exemple un plan de masse ou la peau d'un aéronef dirigé selon la direction Oz et forment une antenne de type Yagi-Uda monopolaire.
Les positions relatives des éléments le long de l'axe Oz et leurs espacements sont choisis de manière à optimiser la forme du faisceau, notamment à en réduire les lobes secondaires, et à permettre l'adaptation d'impédance (généralement à 50Ω). L'introduction d'éléments directeurs et d'un élément réflecteur dans le champ de de l'élément rayonnant a pour conséquence de réduire l'impédance de l'antenne et donc la puissance non rayonnée. L'élément rayonnant possède une impédance élevée, de l'ordre de 150 Ω, ce qui permet d'utiliser des éléments directeurs 330 et un élément réflecteur 310 tout en réduisant la puissance non rayonnée.
Les différents éléments de l'antenne peuvent être réalisés simplement et à bas coût à partir de feuilles ou de bandes métalliques.
La Fig. 4 représente un diagramme donnant le coefficient de réflexion (paramètre S ₁₁ ) de l'antenne de la Fig. 3 en fonction de la fréquence.
La plaque rayonnante est constituée par un disque métallique de diamètre 20mm. L'antenne comporte en outre un élément réflecteur hémicylindrique et un élément directeur. On remarque sur la Fig. 4 que la largeur de la bande de fonctionnement prise à 10dB s'étend sur une octave de 3 à 6 GHz. Elle englobe par conséquent la plupart des bandes de fréquence 4G et 5G utilisées dans le monde.
Ainsi, l'antenne proposée peut notamment servir comme antenne globale à plusieurs systèmes de communication air-sol embarqués, en particulier lorsque l'aéronef est en phase d'approche. Cette antenne peut aussi servir d'antenne relais en cas d'utilisation de téléphones cellulaires par les passagers de l'aéronef.
La Fig. 5 représente le diagramme de rayonnement tridimensionnel de l'antenne de la Fig. 3 à une fréquence de 4 GHz.
On note que l'antenne présente une bonne directivité à faible et moyenne élévation, une émission longitudinale dans la direction de l'axe Oz avec un gain de près de 10 dB.
Cette bonne directivité à faible élévation est confirmée par le diagramme de rayonnement bidimensionnel de cette même antenne, toujours à une fréquence de 4GHz, dans un plan d'élévation à 5°, comme illustré en Fig. 6. Cet angle d'élévation correspond au cas d'une antenne montée sur la partie inférieure du fuselage de l'aéronef (l'axe Oz étant sensiblement parallèle à l'axe longitudinal de ce dernier) et d'une situation typique où l'aéronef vole à une altitude de 3km et la station au sol se trouve à une trentaine de kms.
La largeur angulaire en azimut du lobe principal est de plus de 120° ce qui autorise des communications à qualité de service élevée même lorsque la station au sol n'est pas dans l'alignement du cap de l'avion. Il n'est donc pas nécessaire d'effectuer une formation de faisceau dynamique pour pointer dans la direction de cette station.
En outre, le diagramme de rayonnement présente des lobes secondaires peu nombreux avec une forte réjection, ce qui réduit d'autant les risques d'interférence en réception.

Claims

Antenne de type Yagi-Uda comprenant un élément parasite réflecteur (310), un élément rayonnant (320) et au moins un élément parasite directeur (330) disposés dans cet ordre le long d'un axe longitudinal de l'antenne l'élément rayonnant étant formé par une plaque conductrice (321), disposée de manière sensiblement orthogonale à l'axe longitudinal de l'antenne et au-dessus d'un plan de masse (310) de manière à constituer un monopole, la plaque étant pourvue, du côté du plan de masse, d'une borne d'alimentation (322) pour appliquer ou recevoir un signal d'antenne, la plaque conductrice se présentant sous la forme circulaire, et étant équipée, à une extrémité opposée au plan de masse, d'un retour conducteur (325), le retour conducteur étant électriquement relié au plan de masse, de sorte que l'ensemble constitué par la plaque conductrice et le retour conducteur forment un monopole replié, la plaque conductrice se présentant comme un disque de diamètre de l'ordre de λ/4 où λ est une longueur d'onde correspondant à une borne inférieure d'une bande de fréquence de fonctionnement de l'antenne et que le retour conducteur se présentant comme une tige ou une bande de longueur sensiblement identique au diamètre du disque.
Antenne de type Yagi-Uda selon la revendication 1, dans laquelle le retour conducteur s'étend parallèlement au disque et est situé derrière celui-ci, entre le disque et l'élément parasite réflecteur.
Antenne de type Yagi-Uda selon la revendication 1, dans laquelle le retour conducteur s'étend parallèlement au disque et est situé devant celui-ci, entre le disque et l'élément parasite directeur.
Antenne de type Yagi-Uda selon la revendication 1, dans laquelle l'élément parasite réflecteur présente, dans la direction perpendiculaire au plan de masse, une dimension supérieure à celle de la plaque conductrice selon cette même direction.
Antenne de type Yagi-Uda selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'élément parasite directeur est configuré comme un monopole replié, comprenant un premier segment conducteur et un second segment conducteur, parallèles entre eux et à la plaque conductrice, lesdits premier et second segments conducteurs étant reliés en une première extrémité commune, du côté opposé au plan de masse et n'étant pas reliés à leurs secondes extrémités, du côté du plan de masse.
Antenne de type Yagi-Uda selon la revendication 5, dans laquelle les premier et second segments conducteurs ont une longueur inférieure au diamètre de ce disque.
Antenne Yagi-Uda selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle une bande passante de fonctionnement couvre plus d'une octave.
Aéronef comportant une antenne Yagi-Uda selon l'une des revendications précédentes, ladite antenne étant montée sur une partie inférieure du fuselage de l'aéronef l'axe longitudinal de l'antenne étant sensiblement parallèle à un axe longitudinal de l'aéronef, et le plan de masse étant constitué par une peau du fuselage.