EP4396901A1 - Antenne multi-bandes - Google Patents

Antenne multi-bandes

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EP4396901A1
EP4396901A1 EP22773283.1A EP22773283A EP4396901A1 EP 4396901 A1 EP4396901 A1 EP 4396901A1 EP 22773283 A EP22773283 A EP 22773283A EP 4396901 A1 EP4396901 A1 EP 4396901A1
Authority
EP
European Patent Office
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cavity
radiating element
resonant
cavities
antenna
Prior art date
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Application number
EP22773283.1A
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English (en)
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EP4396901B1 (fr
EP4396901C0 (fr
Inventor
Nicolas ATTAJA
Mauro Ettorre
Ronan Sauleau
Davy GUIHARD
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.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Rennes 1
ArianeGroup SAS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Rennes 1
ArianeGroup SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Rennes 1, ArianeGroup SAS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4396901A1 publication Critical patent/EP4396901A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP4396901B1 publication Critical patent/EP4396901B1/fr
Publication of EP4396901C0 publication Critical patent/EP4396901C0/fr
Active legal-status Critical Current
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
    • H01Q5/48—Combinations of two or more dipole type antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/28—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/28—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
    • H01Q1/288—Satellite antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/108—Combination of a dipole with a plane reflecting surface
    • 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
    • H01Q21/26—Turnstile or like antennas comprising arrangements of three or more elongated elements disposed radially and symmetrically in a horizontal plane about a common centre

Definitions

  • Space vehicles are equipped with antennas which ensure communication between these vehicles and ground stations during the flight phases. These antennas are used in particular for telemetry, trajectography, or the satellite positioning system (“Global Navigation Satellite System”, GNSS).
  • GNSS Global Navigation Satellite System
  • the present invention relates to an antenna comprising at least a first resonant cavity and a second resonant cavity, each resonant cavity being closed by a bottom at one end and comprising a radiating element superimposed on the bottom of the resonant cavity, the radiating element of the first cavity being capable of emitting a signal in a first frequency band and the radiating element of the second cavity being capable of emitting a signal in a second frequency band separate from the first frequency band, characterized in that a first distance between the bottom and the radiating element of the first cavity is different from a second distance between the bottom and the radiating element of the second cavity.
  • This invention makes it possible to produce a simple antenna architecture capable of accommodating a multitude of radiating elements operating at different frequencies. Thanks to this architecture, the mutual interaction between these elements is reduced. Each radiating element can therefore function correctly and can therefore produce a quality polarization and hemispherical radiation pattern.
  • the antenna also comprises a third resonant cavity closed by a bottom at one end and comprising a radiating element superimposed on the bottom of the third resonant cavity, the radiating element of the third cavity being capable of emitting a signal in a third frequency band separate from the first and second frequency bands and a third distance between the bottom and the radiating element of the third cavity being different at least from the first or from the second distance.
  • the antenna also comprises a fourth resonant cavity closed by a bottom at one end and comprising a radiating element superimposed on the bottom of the fourth resonant cavity, the radiating element of the fourth cavity being capable of emitting a signal in a fourth frequency band separate from the first, second and third frequency bands and a fourth distance between the bottom and the radiating element of the fourth cavity being different at least by the first, the second or the third distance.
  • the cavities included in the antenna are distinct cavities which define distinct bottom zones delimited by the walls of these cavities.
  • a tri-band or quad-band antenna can be produced.
  • the first cavity and the second cavity are tangent and their walls have a common generatrix.
  • the radiating elements of the resonant cavities are located in the same plane.
  • the resonant cavities are monomode or mostly monomode in the frequency bands of the associated radiating elements.
  • resonant cavity By “monomode”, it should be understood that only the fundamental mode of the resonant cavity considered can propagate. By “mainly monomode”, it should be understood that the resonant cavity considered is monomode over at least 50%, for example at least 75%, of the frequency band considered. In this case resonant cavity may not be single-mode on at least one end of the frequency band, it may be modeless or dual-mode on this end.
  • the resonant cavities distinct from the first cavity are uniformly distributed along a circumferential direction of the first cavity. resonant.
  • the resonant cavities have an oval, circular, square or octagonal section.
  • At least one of the resonant cavities comprises an iris-based filtering structure, absorbers or openings on its wall at an end opposite the bottom of the resonant cavity.
  • Another object of the invention is a vehicle equipped with at least one antenna according to the invention.
  • the vehicle is a space vehicle.
  • the vehicle is a space launcher, an exploration vehicle or a satellite.
  • This coverage rate can thus, for example, meet the typical needs of a GPS geolocation system.
  • Figure 1 shows, schematically and partially, an antenna according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 Figure 2 schematically and partially represents a section of Figure 1.
  • Figure 3 shows, schematically and partially, an antenna according to another embodiment of the invention.
  • Figure 4 shows, schematically and partially, an antenna according to another embodiment of the invention. Description of embodiments
  • wall of a resonant cavity means a wall of the cavity distinct from its bottom which extends around the axis of the height of the antenna. Also called circumference of a cavity, the periphery of this cavity.
  • Figures 1 and 2 represent, schematically and partially, an antenna 100 according to a first embodiment of the invention, Figure 2 being a sectional view of the antenna 100.
  • the antenna 100 comprises four resonant cavities 110, 120, 130 and 140, and extends in height along an axis Z.
  • the four cavities 110, 120, 130 and 140 are distinct cavities which define distinct bottom zones delimited by the walls of the different cavities.
  • the second resonant cavity 120 is closed by a bottom 122 at one end and comprises a radiating element 121 superimposed on its bottom 122 along the axis Z of the height of the antenna 100.
  • the radiating element 121 is capable of emitting a signal in a second frequency band separate from the first frequency band.
  • the distance h2 between the bottom 122 and the radiating element 121 of the second cavity 120 is different from the distance hl between the bottom 112 and the radiating element 111 of the first cavity 110, the distances hl and h2 being measured according to the Z axis of antenna height.
  • the second cavity 120 is located at least partly inside the first cavity 110.
  • the wall 125 of the second cavity 120 shares two common portions 124 with the wall 115 of the first cavity 110.
  • the third resonant cavity 130 is closed by a bottom 132 at one end and comprises a radiating element 131 superimposed on its bottom 132 along the axis Z of the height of the antenna 100.
  • the radiating element 131 is able to emit a signal in a third frequency band separated from the first and the second frequency band.
  • the fourth resonant cavity 140 is closed by a bottom 142 at one end and comprises a radiating element 141 superimposed on its bottom 142 along the axis Z of the height of the antenna 100.
  • the radiating element 141 is able to emit a signal in a fourth frequency band separate from the first, second and third frequency bands.
  • the distance h4 between the bottom 142 and the radiating element 141 of the fourth cavity 140 is different by at least the distance hl, the distance h2 and/or the distance h3, the distance h4 being measured along the Z axis the height of the antenna.
  • the distances h1, h2, h3 and h4 are all different.
  • the distance h between the bottom and the radiating element of the cavities depends on the emission frequency of the radiating element, thus the more the distance h increases, the more the emission frequency decreases. Nevertheless, the distances h between the bottom and the radiating element of the cavities also depend on the type of radiating element.
  • the distance h between the bottom of the cavity and the dipole will be close of ⁇ g/4 with ⁇ g the effective wavelength of the central frequency of the dipole's emission frequency band.
  • the third 130 and fourth 140 resonant cavities are located inside the first cavity 110, for example entirely inside the first cavity 110 as illustrated in FIG. 1.
  • the wall 135 of the third cavity 130 and the wall 145 of the fourth cavity 140 share a common portion 134 for the third cavity 130 and 144 for the fourth cavity 140 with the wall 115 of the first cavity 110.
  • the radiating elements 111, 121, 131 and 141 can be directly powered by a coaxial cable which crosses the corresponding cavity from its bottom to the radiating element, such as for example the cable 123 represented for the element 121 of the second cavity 120.
  • FIG. 3 schematically and partially represents an antenna 300 according to another embodiment of the invention.
  • the antenna 300 comprises three resonant cavities 310, 320 and 330 and extends in height along the Z axis.
  • Each resonant cavity 310, 320, 330 is closed at one end by a bottom 312, 322, 332 and comprises an element radiating 311, 321, 331.
  • the radiating elements of each cavity are superimposed on the bottom of the cavity along the Z axis of the height of the antenna 300.
  • the radiating element 311 of the first cavity 310 is able to emit a signal in a first frequency band
  • the radiating element 321 of the second cavity 320 is able to emit a signal in a second frequency band separate from the first frequency band
  • the element radiating 331 from the third cavity 330 is capable of emitting a signal in a third frequency band which may be separate from the first and second frequency bands or include common frequencies with one of the first two bands.
  • the wall 425 of the second cavity 420 comprises openings over its entire circumference on the end not closed by the bottom 422.
  • the edge of the wall 425 has a slotted shape thus defining a plurality of openings. This provides improved gain at low elevation angles in the high frequencies of the second frequency band while limiting the gain drop in the low frequencies of the second frequency band.
  • the wall 435 of the third cavity 430 comprises openings on a part of its circumference on the end not closed by the bottom 432. This makes it possible to obtain an improved gain at low elevation angles in the high frequencies of the third frequency band.
  • the radiating elements of the resonant cavities can be of the patch, slot or dipole type. They can be mono-band or multi-band.
  • the radiating elements can also be printed on a substrate in one or more layers and/or be dual, single or circular polarized. When the radiating elements are printed on a substrate, the substrate can close the end of the cavity opposite to that closed by the bottom of the cavity.
  • the radiating elements can also be voluminous, such as for example metal dipoles which can be produced for example by three-dimensional metal printing and suspended in the resonant cavity.
  • the resonant cavities can be filled with a dielectric material, such as for example a dielectric foam. The dielectric material can be low permittivity or high permittivity. This makes it possible to reduce the dimensions of the resonant cavities by a factor F.
  • two of them can have an equal distance between their bottom and their radiating element.

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Abstract

Antenne (100) comprenant au moins une première cavité (110) résonante et une deuxième cavité (120) résonante, chaque cavité (110, 120) résonante étant fermée par un fond (112, 122) à une extrémité et comprenant un élément rayonnant (111, 121) superposé au fond de la cavité résonante, l'élément rayonnant (111) de la première cavité (110) étant apte à émettre un signal dans une première bande de fréquence et l'élément rayonnant (121) de la deuxième cavité (120) étant apte à émettre un signal dans une deuxième bande de fréquence disjointe de la première bande de fréquence, caractérisée en ce qu'une première distance entre le fond (112) et l'élément rayonnant (111) de la première cavité (110) est différente d'une deuxième distance entre le fond (122) et l'élément rayonnant (121) de la deuxième cavité (120).

Description

Description
Titre de l'invention : Antenne multi-bandes
Domaine Technique
La présente invention concerne une antenne apte à émettre dans plusieurs bandes de fréquence avec une couverture large et permettant à elle-seule de réaliser plusieurs fonctions distinctes de communication.
Technique antérieure
Les véhicules spatiaux sont équipés d'antennes qui assurent pendant les phases de vol la communication entre ces véhicules et les stations au sol. Ces antennes servent notamment à la télémesure, la trajectographie, ou au système de positionnement par satellites (« Global Navigation Satellite System », GNSS).
La réalisation de ces fonctions peut nécessiter de recourir à un système complexe à plusieurs antennes chacune étant associée à une fonction particulière.
Dans certains systèmes tels que les stations de base, les antennes sont multi-bandes multiports avec un besoin important de découplage entre les bandes. Ces antennes réalisent directement une fonction de filtrage permettant d'émettre et de recevoir simultanément à des fréquences différentes avec un faible niveau d'interférences.
Dans les systèmes où les plateformes sont mobiles les unes par rapport aux autres, tels que les trains, les lanceurs, les satellites ou encore les avions, c'est-à-dire les systèmes dans lesquels le lien sans-fil peut être difficilement maintenu, des antennes à couverture hémisphérique à polarisation circulaire peuvent être nécessaires pour maintenir le lien quel que soit l'orientation et l'altitude de la plateforme. Dans ce cadre-là, les besoins de couverture hémisphérique et de polarisation circulaire s'ajoutent au besoin multi-bande.
Une solution à ce besoin consiste à utiliser une antenne à polarisation circulaire très large bande ou multi-bande à un port comme dans l'article « Single-Feed Ultra- Wideband Circularly Polarized Antenna with Enhanced Front-to-back Ratio » de L. Zhang eta/., publié en 2016 dans IEEE Trans. Antennas Propagation, capable de couvrir toutes les bandes utiles et d'y insérer une fonction de multiplexage pour séparer les chaînes de communication. Cependant, les antennes large bande et multi-bandes ont des diagrammes de rayonnement instables qui varient en fonction de la fréquence et/ou ont des niveaux d'adaptation plus faibles. En effet, une augmentation du gain et des lobes secondaires peuvent apparaître avec l'augmentation de la fréquence, ce qui est incompatible avec un besoin strict de couverture hémisphérique.
Les stations de base possèdent des éléments rayonnants individuels dimensionnés pour chaque bande de fréquence qui n'ont pas cette problématique d'instabilité du diagramme de rayonnement. Par ailleurs, les agencements incorporés, par exemple dans l'article « A Dual-broadband, Dual-polarized Base Station Antenne for 2G/3G/4G Applications » de H. Huang et ai. publié en 2017 dans IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, entrelacés, par exemple dans l'article « Suppression of Cross-Band Scattering in Multiband Antenna Arrays » de H.H Sun et ai. publié en 2019 dans IEEE Trans. Antennas Propagation, et superposés, par exemple dans l'article « Decoupling and Low-Profile Design of Dual-band Dual-polarized Base Station Antennas Using Frequency-selective Surface » de Y. Zhu et ai. publié en 2019 dans IEEE Trans. Antennas Propagation, des différents éléments rayonnants des stations de base permettent leur bon fonctionnement en optimisant l'espace total occupé. Cependant ces solutions sont souvent limitées à deux ou trois bandes de fréquence, car l'agencement pour quatre bandes est complexe. De plus, le taux de couverture hémisphérique reste limité et le couplage entre les éléments peut être élevé. Enfin, des effets de diffraction des ondes entre les différents éléments rayonnants sont présents, ce qui impacte la qualité de la polarisation circulaire et le taux de couverture.
Il est donc souhaitable de disposer d'une antenne apte à émettre dans plusieurs bandes de fréquence distinctes pour la réalisation de plusieurs fonctions de communication tout en conservant un encombrement limité, une bonne couverture hémisphérique et une polarisation circulaire dans toutes les bandes de fréquence de l'antenne. Exposé de l'invention
La présente invention concerne une antenne comprenant au moins une première cavité résonante et une deuxième cavité résonante, chaque cavité résonante étant fermée par un fond à une extrémité et comprenant un élément rayonnant superposé au fond de la cavité résonante, l'élément rayonnant de la première cavité étant apte à émettre un signal dans une première bande de fréquence et l'élément rayonnant de la deuxième cavité étant apte à émettre un signal dans une deuxième bande de fréquence disjointe de la première bande de fréquence, caractérisée en ce qu'une première distance entre le fond et l'élément rayonnant de la première cavité est différente d'une deuxième distance entre le fond et l'élément rayonnant de la deuxième cavité.
Cette invention permet de produire une architecture d'antenne simple capable d'accueillir une multitude d'éléments rayonnants fonctionnant à des fréquences différentes. Grâce à cette architecture, l'interaction mutuelle entre ces éléments est réduite. Chaque élément rayonnant peut donc fonctionner correctement et peut donc produire une polarisation et un diagramme de rayonnement hémisphérique de qualité.
L'invention offre également des degrés de liberté d'optimisation qui permettent de réduire les dimensions initiales du plus grand élément rayonnant et de sa cavité résonante.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, l'antenne comprend également une troisième cavité résonante fermée par un fond à une extrémité et comprenant un élément rayonnant superposé au fond de la troisième cavité résonante, l'élément rayonnant de la troisième cavité étant apte à émettre un signal dans une troisième bande de fréquence disjointe des première et deuxième bandes de fréquence et une troisième distance entre le fond et l'élément rayonnant de la troisième cavité étant différente au moins de la première ou de la deuxième distance.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, l'antenne comprend également une quatrième cavité résonante fermée par un fond à une extrémité et comprenant un élément rayonnant superposé au fond de la quatrième cavité résonante, l'élément rayonnant de la quatrième cavité étant apte à émettre un signal dans une quatrième bande de fréquence disjointe des première, deuxième et troisième bandes de fréquence et une quatrième distance entre le fond et l'élément rayonnant de la quatrième cavité étant différente au moins de la première, de la deuxième ou de la troisième distance.
Les cavités comprises dans l'antenne sont des cavités distinctes qui définissent des zones de fond distinctes délimitées par les parois de ces cavités.
En ayant trois ou quatre cavités, on peut réaliser une antenne tri ou quadri-bandes.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, une paroi de la première cavité et une paroi de la deuxième cavité ont une portion commune, les parois étant distinctes des fonds des cavités.
Le fait d'avoir une portion commune permet de fusionner sur cette portion commune les parois des première et deuxième cavités.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, la première cavité et la deuxième cavité sont tangentes et leurs parois ont une génératrice commune.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, au moins une partie de la deuxième cavité est située à l'intérieur de la première cavité.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments rayonnants des cavités résonantes sont situés dans un même plan.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les fonds des cavités résonantes sont situés dans un même plan.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, les cavités résonantes sont monomodes ou majoritairement monomodes dans les bandes de fréquence des éléments rayonnants associés.
Par « monomode », il faut comprendre que seul le mode fondamental de la cavité résonante considérée peut se propager. Par « majoritairement monomode », il faut comprendre que la cavité résonante considérée est monomode sur au moins 50%, par exemple au moins 75%, de la bande de fréquence considérée. Dans ce cas, la cavité résonante peut ne pas être monomode sur au moins une extrémité de la bande de fréquence, elle peut être sans mode ou bi-mode sur cette extrémité.
Le fait d'avoir des cavités monomodes ou majoritairement monomodes dans les bandes de fréquence des éléments rayonnants associés permet de minimiser les dimensions de l'antenne tout en conservant un fonctionnement optimal des éléments rayonnants.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, dans le cas d'une antenne comprenant au moins trois cavités résonantes telle que décrites précédemment, les cavités résonantes distinctes de la première cavité sont réparties uniformément le long d'une direction circonférentielle de la première cavité résonante.
Cela permet de limiter les interactions entre les éléments rayonnants des différentes cavités résonantes.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, les cavités résonantes ont une section ovale, circulaire, carrée ou octogonale.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, au moins une des cavités résonantes comprend une structure de filtrage à base d'iris, des absorbants ou des ouvertures sur sa paroi à une extrémité opposée au fond de la cavité résonante.
Un autre objet de l'invention est un véhicule équipé d'au moins une antenne selon l'invention.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, le véhicule est un véhicule spatial.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le véhicule est un lanceur spatial, un véhicule d'exploration ou un satellite.
Cela permet d'obtenir un véhicule équipé d'une architecture d'antenne simple pouvant accueillir une multitude d'éléments rayonnants fonctionnant à différentes fréquences avec une polarisation et un diagramme de rayonnement hémisphérique de qualité, par exemple avec un taux de couverture de l'architecture d'antenne de 90 % évalué à -7 dBic, le gain de l'antenne étant évalué en tenant compte de la polarisation circulaire. Ce taux de couverture peut ainsi, par exemple, répondre aux besoins typiques d'un système de géolocalisation GPS.
De plus, dans les stations de base de l'art antérieur, des phénomènes de diffraction d'un élément rayonnant sur un autre élément rayonnant provoquent des inversions de sens de rotation de la polarisation, c'est-à-dire que la polarisation circulaire s'inverse dans une direction donnée, en passant par exemple d'une rotation droite à une rotation gauche. Ainsi, si on évalue le gain en polarisation circulaire droite, on constate que le gain chute brutalement à certains endroits, ce qui crée des trous dans le diagramme de rayonnement faisant chuter drastiquement le taux de couverture hémisphérique. L'invention permet d'éviter ce problème, car aucun inversement du sens de rotation de la polarisation n'apparaît sur toute la demi- sphère supérieure. Cela permet donc d'assurer une polarisation circulaire de qualité sur toute la demi-sphère supérieure.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.
[Fig. 1] La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, une antenne selon un mode de réalisation de l'invention.
[Fig. 2] La figure 2 représente, de manière schématique et partielle, une coupe de la figure 1.
[Fig. 3] La figure 3 représente, de manière schématique et partielle, une antenne selon un autre mode de réalisation de l'invention.
[Fig. 4] La figure 4 représente, de manière schématique et partielle, une antenne selon un autre mode de réalisation de l'invention. Description des modes de réalisation
Dans toute la description, on appelle paroi d'une cavité résonante, une paroi de la cavité distincte de son fond qui s'étend autour de l'axe de la hauteur de l'antenne. On appelle également circonférence d'une cavité, le pourtour de cette cavité.
Les figures 1 et 2 représentent, de manière schématique et partielle, une antenne 100 selon un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 2 étant une vue en coupe de l'antenne 100.
L'antenne 100 comprend quatre cavités résonantes 110, 120, 130 et 140, et s'étend en hauteur selon un axe Z. Les quatre cavités 110, 120, 130 et 140 sont des cavités distinctes qui définissent des zones de fond distinctes délimitées par les parois des différentes cavités.
La première cavité résonante 110 est fermée par un fond 112 à une extrémité et comprend un élément rayonnant 111 superposé à son fond 112 selon l'axe Z de la hauteur de l'antenne 100. L'élément rayonnant 111 est apte à émettre un signal dans une première bande de fréquence.
La deuxième cavité résonante 120 est fermée par un fond 122 à une extrémité et comprend un élément rayonnant 121 superposé à son fond 122 selon l'axe Z de la hauteur de l'antenne 100. L'élément rayonnant 121 est apte à émettre un signal dans une deuxième bande de fréquence disjointe de la première bande de fréquence.
La distance h2 entre le fond 122 et l'élément rayonnant 121 de la deuxième cavité 120 est différente de la distance hl entre le fond 112 et l'élément rayonnant 111 de la première cavité 110, les distances hl et h2 étant mesurées selon l'axe Z de la hauteur de l'antenne.
La deuxième cavité 120 est située au moins en partie à l'intérieur de la première cavité 110. De plus, la paroi 125 de la deuxième cavité 120 partage deux portions communes 124 avec la paroi 115 de la première cavité 110.
La troisième cavité résonante 130 est fermée par un fond 132 à une extrémité et comprend un élément rayonnant 131 superposé à son fond 132 selon l'axe Z de la hauteur de l'antenne 100. L'élément rayonnant 131 est apte à émettre un signal dans une troisième bande de fréquence disjointe de la première et de la deuxième bande de fréquence.
La distance h3 entre le fond 132 et l'élément rayonnant 131 de la troisième cavité 130 est différente d'au moins la distance hl et/ou de la distance h2, la distance h3 étant mesurée selon l'axe Z de la hauteur de l'antenne.
La quatrième cavité résonante 140 est fermée par un fond 142 à une extrémité et comprend un élément rayonnant 141 superposé à son fond 142 selon l'axe Z de la hauteur de l'antenne 100. L'élément rayonnant 141 est apte à émettre un signal dans une quatrième bande de fréquence disjointe des première, deuxième et troisième bandes de fréquence.
Comme les quatre cavités sont des cavités distinctes, leurs éléments rayonnants ne se recouvrent donc pas. De plus, afin de maximiser les performances des éléments rayonnants tout en minimisant la taille totale de l'antenne, les éléments rayonnants d'une cavité et d'une autre cavité de diamètre plus petit sont séparés d'une distance Dmin égale à la différence entre le rayon de la cavité et le rayon de l'autre cavité de diamètre inférieur, la distance entre les éléments rayonnants des deux cavités étant mesurée selon un axe perpendiculaire à l'axe Z de la hauteur de l'antenne. Plus généralement, plus la distance entre deux éléments rayonnants de deux cavités différentes est grande, plus les performances, en termes de couplage et de diffraction, sont meilleures.
La distance h4 entre le fond 142 et l'élément rayonnant 141 de la quatrième cavité 140 est différente d'au moins la distance hl, de la distance h2 et/ou de la distance h3, la distance h4 étant mesurée selon l'axe Z de la hauteur de l'antenne. En particulier, dans ce mode de réalisation, les distances hl, h2, h3 et h4 sont toutes différentes. Généralement, la distance h entre le fond et l'élément rayonnant des cavités dépend de la fréquence d'émission de l'élément rayonnant, ainsi plus la distance h augmente, plus la fréquence d'émission diminue. Néanmoins, les distances h entre le fond et l'élément rayonnant des cavités dépendent également du type d'élément rayonnant. Par exemple, dans le cas de cavités résonantes remplies de vide et/ou d'un matériau diélectrique et comprenant un dipôle comme élément rayonnant, la distance h entre le fond de la cavité et le dipôle sera proche de Àg/4 avec Àg la longueur d'onde effective de la fréquence centrale de la bande de fréquence d'émission du dipôle.
Les troisième 130 et quatrième 140 cavités résonantes sont situées à l'intérieur de la première cavité 110, par exemple intégralement à l'intérieur de la première cavité 110 comme illustré sur la figure 1. La paroi 135 de la troisième cavité 130 et la paroi 145 de la quatrième cavité 140 partagent une portion commune 134 pour la troisième cavité 130 et 144 pour la quatrième cavité 140 avec la paroi 115 de la première cavité 110. Sur la portion commune 134, les parois 115 et 135 sont fusionnées et sur la portion commune 144, les parois 115 et 145 sont fusionnées.
Les éléments rayonnants 111, 121, 131 et 141 peuvent être directement alimentés par un câble coaxial qui traverse la cavité correspondante depuis son fond jusqu'à l'élément rayonnant, comme par exemple le câble 123 représenté pour l'élément 121 de la deuxième cavité 120.
Dans ce mode de réalisation, les éléments rayonnants 111, 121, 131 et 141 sont situés dans un même plan, mais il est également possible d'avoir les éléments rayonnants dans des plans différents avec des fonds 112, 122, 132, 142 également dans des plans différents ou avec des fonds 112, 122, 132, 142 situés dans un même plan.
Dans ce mode de réalisation, les quatre bandes de fréquence des différents éléments rayonnants 111, 121, 131 et 141 sont disjointes. Les quatre bandes de fréquence sont par exemple la bande UHF entre 432 MHz et 434 MHz, la bande GNSS entre 1164 MHz et 1591 MHz, la bande S entre 2200 MHz et 2290 MHz et la bande C entre 5400 MHz et 5900 MHz. Cependant, il est également possible que seules les deux premières bandes de fréquence, par exemple celles des éléments rayonnants 111 et 121, soient disjointes et que les deux autres bandes de fréquence, c'est-à-dire celles des éléments rayonnants 131 et 141, partagent des fréquences communes avec les deux premières bandes de fréquence.
La figure 3 représente, de manière schématique et partielle, une antenne 300 selon un autre mode de réalisation de l'invention. L'antenne 300 comprend trois cavités résonantes 310, 320 et 330 et s'étend en hauteur selon l'axe Z. Chaque cavité résonante 310, 320, 330 est fermée à une extrémité par un fond 312, 322, 332 et comprend un élément rayonnant 311, 321, 331. Conformément à l'invention, les éléments rayonnants de chaque cavité sont superposés au fond de la cavité selon l'axe Z de la hauteur de l'antenne 300. De plus, l'élément rayonnant 311 de la première cavité 310 est apte à émettre un signal dans une première bande de fréquence, l'élément rayonnant 321 de la deuxième cavité 320 est apte à émettre un signal dans une deuxième bande de fréquence disjointe de la première bande de fréquence, et l'élément rayonnant 331 de la troisième cavité 330 est apte à émettre un signal dans une troisième bande de fréquence qui peut être disjointe des première et deuxième bandes de fréquence ou comprendre des fréquences communes avec une des deux premières bandes.
De plus, la distance entre le fond 312 et l'élément rayonnant 311 de la première cavité 310 est différente d'au moins la distance entre le fond 322 et l'élément rayonnant 321 de la deuxième cavité 320 ou de la distance entre le fond 332 et l'élément rayonnant 331 de la troisième cavité 330. De même, la distance entre le fond 322 et l'élément rayonnant 321 de la deuxième cavité 320 est différente d'au moins la distance entre le fond 312 et l'élément rayonnant 311 de la première cavité 310 ou de la distance entre le fond 332 et l'élément rayonnant 331 de la troisième cavité 330.
La cavité 320 est tangente à la première cavité 310 à l'extérieur de la cavité 310. Les parois des deux cavités 310 et 320 ont une portion commune, et plus particulièrement, dans le mode de réalisation illustré, les cavités 310 et 320 ont une génératrice en commun 324. Les parois des cavités 310 et 320 sont ainsi fusionnées le long de cette génératrice commune 324. Le fait d'avoir la cavité 320 extérieure à la première cavité et partageant une génératrice commune permet de limiter les interactions entre les éléments rayonnants de ces deux cavités.
La cavité 330 est également tangente à la première cavité 310 mais elle est située à l'intérieur de la cavité 310. Comme la cavité 320, la cavité 330 a une génératrice commune 334 avec la cavité 310. La figure 4 représente, de manière schématique et partielle, une antenne 400 selon un autre mode de réalisation de l'invention.
L'antenne 400 comprend trois cavités résonantes 410, 420 et 430. Chaque cavité résonante 410, 420, 430 est fermée à une extrémité par un fond 412, 422, 432 et comprend un élément rayonnant 411, 421, 431. Conformément à l'invention, les éléments rayonnants de chaque cavité sont superposés au fond de la cavité selon l'axe Z de la hauteur de l'antenne 400. De plus, l'élément rayonnant 411 de la première cavité 410 est apte à émettre un signal dans une première bande de fréquence, et l'élément rayonnant 421 de la deuxième cavité 420 est apte à émettre un signal dans une deuxième bande de fréquence disjointe de la première bande de fréquence. L'élément rayonnant 431 de la troisième cavité 430 est apte à émettre un signal dans une troisième bande de fréquence qui peut être disjointe des première et deuxième bandes de fréquence ou qui peut comprendre des fréquences communes à l'une des deux premières bandes.
De plus, la distance entre le fond 412 et l'élément rayonnant 411 de la première cavité 410 est différente d'au moins la distance entre le fond 422 et l'élément rayonnant 421 de la deuxième cavité 420 ou de la distance entre le fond 432 et l'élément rayonnant 431 de la troisième cavité 430. De même, la distance entre le fond 422 et l'élément rayonnant 421 de la deuxième cavité 420 est différente d'au moins la distance entre le fond 412 et l'élément rayonnant 411 de la première cavité 410 ou de la distance entre le fond 432 et l'élément rayonnant 431 de la troisième cavité 430.
La deuxième cavité 420 est située en partie à l'intérieur de la première cavité 410, tandis que la troisième cavité 430 est située à l'intérieur de la première cavité 410.
La paroi 425 de la deuxième cavité 420 comprend des ouvertures sur toute sa circonférence sur l'extrémité non-fermée par le fond 422. Autrement dit, le bord de la paroi 425 a une forme en créneau définissant ainsi une pluralité d'ouvertures. Cela permet d'obtenir un gain amélioré aux faibles angles d'élévation dans les fréquences hautes de la deuxième bande de fréquence tout en limitant la baisse du gain dans les fréquences basses de la deuxième bande de fréquence. La paroi 435 de la troisième cavité 430 comprend des ouvertures sur une partie de sa circonférence sur l'extrémité non-fermée par le fond 432. Cela permet d'obtenir un gain amélioré aux faibles angles d'élévation dans les fréquences hautes de la troisième bande de fréquence.
Dans tous les modes de réalisation de l'invention, les cavités résonantes sont présentées avec une section circulaire, néanmoins ces cavités peuvent également avoir une section quelconque, par exemple une section carrée, ovale, hexagonale, etc...
Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, les cavités résonantes peuvent être des doubles cavités telles que décrites dans la demande de brevet française FR 20 09240, c'est-à-dire que le guide d'onde formant la double cavité comprend deux cavités résonantes distinctes dont l'une est située à l'intérieur de l'autre et ces cavités sont monomodes ou majoritairement monomodes dans une bande de fréquence disjointe. Les éléments rayonnants associés aux doubles cavités sont des éléments bi-bande. Cela permet d'obtenir une couverture hémisphérique améliorée dans la bande haute associée à la double cavité et à son élément rayonnant. De plus, si la cavité externe comprend également des ouvertures sur sa paroi, il est possible d'accentuer cet effet sans impacter la bande basse de fréquence d'émission.
Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, les cavités résonantes peuvent être monomodes ou majoritairement monomodes dans la bande de fréquence de l'élément rayonnant associé à la cavité. Cela permet de minimiser les dimensions de l'antenne tout en conservant un fonctionnement optimal des éléments rayonnants.
Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, les éléments rayonnants des cavités résonantes peuvent être de type patch, fente ou dipôle. Ils peuvent être mono-bande ou multi-bandes. Les éléments rayonnants peuvent également être imprimés sur un substrat sur une ou plusieurs couches et/ou être à polarisation double, simple ou circulaire. Quand les éléments rayonnants sont imprimés sur un substrat, le substrat peut fermer l'extrémité de la cavité opposée à celle fermée par le fond de la cavité. Les éléments rayonnants peuvent également être volumiques, comme par exemple des dipôles métalliques pouvant être réalisés par exemple en impression tridimensionnelle en métal et suspendus dans la cavité résonante. Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, les cavités résonantes peuvent être remplies d'un matériau diélectrique, comme par exemple une mousse diélectrique. Le matériau diélectrique peut être à permittivité faible, ou à permittivité élevée. Cela permet de réduire les dimensions des cavités résonantes d'un facteur F.
[Math 1]
F = / £r avec Er la permittivité du matériau diélectrique.
Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, les cavités résonantes différentes de la première cavité peuvent être réparties sur la circonférence de la première cavité avec un écart angulaire minimal 0min = 360 x (1 - 0,25)/n, et un écart angulaire maximal 0max = 360 x (1 + 0,25)/n entre deux cavités consécutives, avec n le nombre de cavités résonantes différentes de la première cavité. Ainsi, pour trois cavités résonantes réparties sur la circonférence de la première cavité, l'écart angulaire A0 entre deux cavités consécutives est de 120° ± 30°. Pour deux cavités résonantes réparties sur la circonférence de la première cavité, l'écart angulaire A0 entre deux cavités consécutives est de 180° ± 45°.
Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, les cavités résonantes différentes de la première cavité peuvent être réparties uniformément sur la circonférence de la première cavité.
Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, toutes les cavités résonantes peuvent avoir un guide d'onde les délimitant de même hauteur ou de hauteurs différentes selon l'axe Z de la hauteur de l'antenne.
Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, dans le cas où il y a au moins trois cavités résonantes, deux d'entre elles peuvent avoir une distance égale entre leur fond et leur élément rayonnant.
Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, les cavités peuvent être remplies d'un matériau diélectrique et leur distance entre leur fond et leur élément rayonnant est comprise entre Àg/8 et Àg/2 avec Àg la longueur d'onde guidée dans le matériau diélectrique. L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Antenne (100, 300, 400) comprenant au moins une première cavité (110, 310, 410) résonante et une deuxième cavité (120, 320, 420) résonante, chaque cavité résonante (110, 120, 310, 320, 420) étant fermée par un fond (112, 122, 312, 322, 422) à une extrémité et comprenant un élément rayonnant (111, 121, 311, 321, 421) superposé au fond de la cavité résonante, l'élément rayonnant (111, 311, 411) de la première cavité (110, 310, 410) étant apte à émettre un signal dans une première bande de fréquence et l'élément rayonnant (121, 321, 421) de la deuxième cavité (120, 320, 420) étant apte à émettre un signal dans une deuxième bande de fréquence disjointe de la première bande de fréquence, caractérisée en ce qu'une première distance (hl) entre le fond (112) et l'élément rayonnant (111) de la première cavité (110) est différente d'une deuxième distance (h2) entre le fond (122) et l'élément rayonnant (121) de la deuxième cavité (120), l'antenne comprenant également une troisième cavité (130, 330, 430) résonante fermée par un fond (132, 332, 432) à une extrémité et comprenant un élément rayonnant (131, 331, 431) superposé au fond de la troisième cavité résonante, l'élément rayonnant de la troisième cavité étant apte à émettre un signal dans une troisième bande de fréquence disjointe des première et deuxième bandes de fréquence et une troisième distance (h3) entre le fond (132) et l'élément rayonnant (131) de la troisième cavité (130) étant différente au moins de la première (hl) ou de la deuxième (h2) distance, les cavités résonantes différentes de la première cavité étant réparties sur la circonférence de la première cavité avec un écart angulaire minimal 0min = 360 x (1 - 0,25)/n, et un écart angulaire maximal 0max = 360 x (1 + 0,25)/n entre deux cavités consécutives, avec n le nombre de cavités résonantes différentes de la première cavité.
[Revendication 2] Antenne (100) selon la revendication 1, comprenant également une quatrième cavité (140) résonante fermée par un fond (142) à une extrémité et comprenant un élément rayonnant (141) superposé au fond de la quatrième cavité résonante, l'élément rayonnant de la quatrième cavité étant apte à émettre un signal dans une quatrième bande de fréquence disjointe des première, deuxième et troisième bandes de fréquence et une quatrième distance (h4) entre le fond (142) et l'élément rayonnant (141) de la quatrième cavité (140) étant différente au moins de la première (hl), de la deuxième (h2) ou de la troisième (h3) distance.
[Revendication 3] Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle une paroi (115) de la première cavité (110, 310) et une paroi (125) de la deuxième cavité (120, 320) ont une portion commune (124, 324), les parois étant distinctes des fonds des cavités.
[Revendication 4] Antenne selon la revendication 3, dans laquelle au moins une partie de la deuxième cavité (120, 330, 430) est située à l'intérieur de la première cavité (110, 310, 410).
[Revendication 5] Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les éléments rayonnants (111, 121, 131, 141) des cavités résonantes (110, 120, 130, 140) sont situés dans un même plan.
[Revendication 6] Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les fonds des cavités résonantes sont situés dans un même plan.
[Revendication 7] Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle les cavités résonantes sont monomodes ou majoritairement monomodes dans les bandes de fréquence des éléments rayonnants associés.
[Revendication 8] Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans laquelle les cavités résonantes distinctes de la première cavité sont réparties uniformément le long d'une direction circonférentielle de la première cavité résonante.
[Revendication 9] Véhicule équipé d'au moins une antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
[Revendication 10] Véhicule selon la revendication 9, dans lequel le véhicule est un véhicule spatial.
[Revendication 11] Véhicule selon la revendication 10, dans lequel le véhicule est un lanceur spatial, un véhicule d'exploration ou un satellite.
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