FR2825191A1 - Antenne d'emission/reception d'ondes radiofrequences et avion utilisant une telle antenne - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une antenne d'émission/ réception d'ondes radiofréquences qui comprend : - un élément de structure (8) conducteur dans la bande de fréquences de fonctionnement de l'antenne, de dimension au moins égale au quart de la longueur d'onde selon la direction de polarisation de l'onde électromagnétique pour la fréquence minimale de cette bande de fréquences, et comportant une découpe formant cavité (9),- un élément excitateur amovible (10) disposé dans cette cavité, qui agit en tant qu'excitateur de cette cavité (9),- une métallisation électriquement conductrice aux fréquences de fonctionnement de l'antenne assurant une métallisation entre ledit élément excitateur (10) et ledit élément de structure (8). La présente invention concerne également un avion utilisant une telle antenne.
Description
fente (16) par laquelle passe le fluide de refroidissement.
ANTENNE D' EMISSION/RECEPTION D'ONDES RADIOFREQUENCES ET
AVION UTILISANT UNE TELLE ANTENNE
DESCRIPTION
Domaine technique La présente invention concerne une antenne d'émission/réception d'ondes radiofréquences constituée d'un élément excitateur amovible, intogré dans une structure fixe ou mobile, par exemple un avion, faisant rayonner tout ou partie de l'élément de structure dans lequel il est intégré, et un avion utilisant une tele antenne. Etat de la technique
Dans la suite de la description on
considérera, à titre d'exemple non limitatif, l'antenne
de l' invention intogrée dans la structure d'un avion.
Mais elle pourrait aussi être intogrée dans tout autre
type de véhicule.
Pour réaliser une liaison radiofréquence, tant en émission qu'en réception, l'utilisation d'une antenne est nécessaire. Une antenne de type dipole, qui est notamment utilisoe pour la réception radiofréquence à bord d'un avion, nocessite un plan de masse de surface importante et une antenne de longueur
suffisante eu égard aux fréquences radio considérées.
Dans un avion, les antennes sont protégées: la partie rayonnante est abritée par un radôme constitué, entre autres, d'un matériau transparent pour les ondes électromagnétiques. Une telle protection doit être profilée de manière à perturber le moins possible les performances aérodynamiques. De plus, les valeurs de découplage électromagnétique entre les différentes antennes, qui doivent se conformer aux exigences des normes (ARINC notamment), se traduisent par des contraintes déloignement physique entre les antennes travaillant
dans les mêmes bandes de fréquence.
Dans un avion de petite taille, l'ajout
dune antenne peut, ainsi, s'avérer très problématique.
Afin de ne pas perturber es caractéristiques aorodynamiques d'un avion, on peut utiliser une antenne intogrce dans la structure de ce
dernier.
Un brevet américain, US 6 047 925, décrit ainsi une antenne UHF bande étroite intégrée dans la trappe de train d'un avion. De par son principe d' installation, il est nécessaire, après chaque démontage de l'antenne, de refaire l' accord de cette dernière. Une telle intervention, si elle doit être effectuée lors d'une escale d'un avion exploité par une compagnie aérienne, est très pénalisante (surcoût, immobilisation de l'avion, outillage très spécialisé,
etc.).
Une demande de brevet francais, FR 1 091 358, décrit un autre type d'antenne intogrce dans la structure dun avion. Cette antenne est une antenne fente large bande, dont les dimensions sont relativement importantes. Elle doit donc faire partie dun élément de structure de l'avion de dimensions adaptées (dérive, etc.), sans pouvoir être dissociée de celui-ci. La dépose ou le remplacement d'une telle antenne nocessite le démontage, et éventuellement le remplacement, de l'élément de structure considéré. En plus des difficultés d' installation d'une telle antenne, les coûts de maintenance sont élevés et les
durces d'immobilisation de l'avion sont importantes.
La présente invention a pour objet une antenne composée d'un élément d' excitation pouvant être facilement intogré dans un élément de structure constituant la partie rayonnante de l'antenne, sns perturber les performances aérodynamiques de l 'ensemble, ledit élément d' excitation pouvant être retiré de cet élément de structure sans nécessiter le remplacement de ce dernier. Cet élément de structure peut notamment être une partie d'une construction (par exemple d'un bâtiment) ou d'un véhicule (par exemple un avion). Exposé de l' invention La pr-ésente invention propose une antenne d'émission/réception d'ondes radiafréquences, comprenant: - un élément de structure conducteur dans la bande de fréquences de fonctionnement de l'antenne, de dimension au moins égale au quart de la longueur d'onde selon la direction de polarisation de l'onde électromagnétique pour la fréquence minimale de cette bande de fréquences, et comportant une découpe formant cavité, - un élément excitateur amovible disposé dans cette cavité, qui agit en tant qu'excitateur de cette cavité, - une liaison électriquement conductrice aux fréquences de fonctionnement de l'antenne, assurant une métallisation entre ledit élément excitateur et
ledit élément de structure.
Dans un mode de réalisation avantageux, cet élément excitateur comprend: un élément en matériau transparent aux ones radiofréquences, rempli d'un matériau également transparent aux ondes radiofréquences, - une lamelle conductrice formant un stub, permettant de réaliser l' accord et l' adaptation de liantenne sur la bande de fréquences de fonctionnement, - un capot en matériau transparent aux ondes radiefréquences, abritant l'élément excitateur et assurant la continuité du profil de l'élément de structure,
- une ligne d'alimentation du stob.
Dans un exemple de réalisation avantageux, l'élément excitateur et le capot sont en fibre de verre. Le matériau qui remplit l'élément excitateur est une résine ou un matériau thermoplastique coulé. Le stub est en cuivre recouvert en surface d'une couche argentée. Le capot est fixé sur l'élément excitateur au moyen de vis amagnétiques. L'élément excitateur a une forme apte à être fixée dans une entaille pratiquce dans un élément de la structure d'une construction ou
d'un véhicule, par exemple un avion.
La présente invention concerne également un avion dont au moins l'un des éléments diextrémité d'aile comporte une cavité en forme d'entaille dans laquelle est disposé un élément excitateur tel que
décrit précédemment.
L'antenne de l 'invention présente de nombreux avantages: _ - elle ne modifie pas les propriétés acrodynamiques de l'avion puisqu'elle est intégrce dans un élément de structure de celui-ci, - sa mise en place ainsi que sa maintenance (démontage, échange standard, etc.) sont aisoes: aucune opération de réglage ou d' accord ne sont nocessaires après le montage de celle-ci, - les coûts de maintenance sont donc diminués, - elle peut être proposoe en tant qu'équipement optionnel dans un avion: en effet, elle peut ne pas faire partie de la structure de celui-ci, mais être fixée sur celle-ci. Un simple capot de protection peut ainsi protoger l'entaille pratiquce dans la structure de l'avion à l 'emplacement permettant de recevoir l'élément excitateur, - elle peut être intogrée dans un élément de structure suffisamment éloigné des autres antennes utilisant la même bande de fréquences; ce qui permet de respecter les valeurs de découplage
électromagnétique imposées entre antennes.
Brève description des dessins
La figure 1 illustre l'antenne de l' invention. La figure 2 illustre une vue éclatée d'un
exemple de réalisation de lantenne de linvention.
Les figures 3 et 4 illustrent l'endroit de la structure de liavion o peut être avantageusement
intégrée l'antenne de l' invention.
La figure 5 illustre une courbe de réponse du TOS en fonction de la fréquence de l'antenne-de ltinvention. Exposé détaillé de modes de réalisation Comme illustré sur la figure 1, l'antenne d' émission/réception d' ondes radiofréquences de l' invention comprend: - un élément de structure 8 conducteur dans la bande de fréquences de fonctionnement de l'antenne, de dimension au moins égale au quart de la longueur d'onde selon -la direction de polarisation de l'onde électromagnétique pour la fréquence minimale de cette bande de fréquences, et comportant une découpe formant cavité 9, - un élément excitateur amovible 10 disposé dans cette cavité, qui agit en tant qu'excitateur de cette cavité, - une liaison électriquement conductrice aux fréquences de fonctionnement de l'antenne, assurant une métallisation entre ledit élément excitateur 10 et
ledit élément de structure 8.
La figure 2 représente un mode de réalisation avantageux de l'élément excitateur amovible 10 de l'antenne d'émission/réception d'ondes radiofréquences de l' invention qui comprend: - un élément 11 en un matériau diélectrique transparent aux ondes radiafréquences, par exemple en fibre de verre, rempli d'un matériau également transparent aux ondes radiofréquences, par exemple en résine ou en un matériau thermoplastique coulé, _ - une lamelle conductrice formant un stub 12, par exemple en cuivre recouvert en surface d'une couche argentée afin d'améliorer la conduction (dans le domaine de fréquences considérées, la conduction se fait presque exclusivement en surface: "effet de peau") disposée dans cet élément 11, permettant de réaliser l' accord et l'adaptation de l'antenne sur la bande de fréquences utilisée, - un capot 13 en un matériau transparent aux radiofréquences, par exemple en fibre de verre, fixé, par exemple vissé au moyen de vis amagnétiques, sur le pourtour de la cavité, ces vis assurant aussi la métallisation entre l'élément excitateur et l'élément de structure, par exemple en permettant le contact électrique entre cet élément de structure 8 conducteur et un clinquant de cuivre raccordé à la tresse de masse du câble coaxial 14 alimentant le stub 12 une ligne 14 d'alimentation du stub, par exemple un câble ccaxial, muni d'un connecteur standard de raccordement, permettant de relier l'antenne à un
câble coaxial connecté à un émetteur/récepteur.
Cet élément excitateur 10 peut être fixé, en tant qu'équipement, dans une entaille pratiquée dans la structure d'une construction ou d'un véhicule, par exemple un avion, les dimensions de cette entaille déterminant la bande passante de l'antenne. L' ensemble composé de l'élément excitateur intégré dans l'élément de structure forme ainsi une antenne fente bande étroite. L'élément excitateur est logé dans la partie
"fente'' de cette antenne fente.
Le rayonnement de l'antenne est assuré par l'élément de structure 8 qui accueille l'élém-ent excitateur 10. Cet élément de structure doit être constitué d'un matériau suffisamment conducteur aux fréquences utilisées, par exemple en aluminium, et de dimensions suffisantes (au minimum le quart de la longueur d'ondes selon la direction de polarisation de
ltonde électromagnétique).
En pratique, le taux dondes stationnaires (TOS) est inférieur à 2 sur la bande de fréquences dans
laquelle est utilisoe l'antenne.
Les dimensions de l'antenne dépendent de la bande de fréquences souhaitée: lorsqu' on diminue la fréquence (par exemple en HF) les dimensions augmentent et les limites de fréquences dépendent des possibilités dintégration dans la structure. Lorsquon augmente la fréquence (par exemple en UHF) les dimensions diminuent. On ne peut toutefois pas monter trop haut en fréquence en raison des contraintes technologiques de
réalisation de la cavité.
Les fréquences minimales pouvant être transmises sont imposoes par l'élément de structure 8 dans lequel on souhaite intégrer ledit élément excitateur 10. Cet élément de structure doit précenter au moins une partie dont la longueur, selon la direction de polarisation souhaitée, est supérieure ou égale au quart de la longueur d'onde correspondant à
cette fréquence minimale.
La dimension minimale, selon la direction de polarisation, est égale au quart de la longueur donde, soit encore c/4.f, o c est la vitesse de la lumière (3.108 m/s) et f la fréquence en Hertz. Si la polarisation souhaitée est verticale, cette dimension
minimale est la hauteur H représentée sur la figure.
Si l'on considère une dimension minimale de quelques mètres (afin d'être techniquement réalisable) on obtient une antenne permettant de couvrir la bande
HF (2-30 MHz).
Les fréquences maximales pouvant être transmises par une telle antenne sont estimées à environ 5 GHz dans le domaine industriel. Cela correspond à une fente de 17 mm de longueur et 3 mm de hauteur. Une telle limitation en fréquence provient de la difficulté de réalisation industrielle dune cavité de dimensions inférieures à celles-ci. Une telle
antenne permet donc de couvrir la bande UHF.
L' invention peut alors s'appliquer aux
bandes HF, VHF, et UHF.
Dans un exemple de réalisation illustré sur les figures 3 et 4, l'élément excitateur de l' invention est intégré dans une cavité 20 dans un des éléments diextrémités 21 des ailes 22 d'un avion 23 ("wing tip fence" on "winglet", ou ailettes d'extrémité de voilure). Comme illustré sur la figure 4, une telle cavité 20 peut être située dans le bord de foite d'un tel élément. Un tel emplacement permet de modifier le moins possible les renforts permettant auxdits éléments d'extrémité des ailes de résister aux efforts aérodynamiques lors du vol de l'avion. Mais d'autres
emplacements sont également possibles.
Le câble coaxial d'alimentation du stub est raccordé à l'intérieur de ces éléments, par l'intermédiaire d'un connocteur, à un câble coaxial relié à l'émetteur/récepteur. Ce câble coaxial chemine
le long de l'aile de l'avion, à l'intérieur de celle-
ci. Le rayonnement de l'antenne est assuré par
l'élément d'extrémité correspondant.
Cette implantation de l'antenne permet de respecter les découplages radioélectriques avec les autres antennes de radio-communication et de navigation utilisant la même bande de fréquences car lesdits éléments sont situés en partie extrême des ailes, à une distance suffi-sante desdites autres antennes. De plus, une telle implantation permet d'obtenir un diagramme de rayonnement vers le haut et vers le bas satisfaisant car, en extrémité des ailes, la structure de l'avion ne gêne pas la propagation des ondes vers le haut et vers
le bas.
Dans un cas concret de réalisation on considère un élément excitateur, tel que représenté sur la figure 2, réalisé à l'échelle 1. Les dimensions de celui-ci sont alors les suivantes: - longueur L = 170 mm,
- hauteur H = 83 mm.
Comme illustré sur la figure 5, l'antenne réalisée en intégrant l'élément excitateur 10 dans la cavité 20 pratiquée dans un des éléments d'extrémité 21 des ailes 22 d'un avion 23 présente un TOS (Taux d'Ondes Stationnaires) inférieur ou égal à 2 sur la bande VHF civile (108-137 MHz) dans laquelle elle est utilisoe avec une direction de polarisation verticale
de londe électromagnétique.
Dans la description qui précède l'antenne
de l' invention a été décrite dans le cas particulier de son intogration dans un avion. Mais elle peut, tout aussi bien être intégrce sur tout type de véhicule (bateau, automobile, etc.) présentant un élément de structure de dimensions adéquates par rapport aux longueurs d'ondes considérces, tant pour assurer la fonction d'élément rayonnant que pour pouvoir y pratiquer une entaille de taille adéquate afin dy insérer l'élément excitateur, et dont le matériau est suffisamment conducteur aux fréquences de
fonctionnement de l'antenne.
Une telle antenne présente d'autant plus dintérêt que le véhicule doit avoir des performances
aérodynamiques élevoes.
Elle peut aussi être utilisce pour des installations fixes (bâtiments, etc.) soumises à des contraintes environnementales sévères (vents violents, etc.).
Claims (10)
1. Antenne d'émission/réception dondes radiefréquences caractérisse en ce qu'elle comprend: - un élément de structure (3) conducteur dans la bande de fréquences de fonctionnement de lantenne, de dimension au moins égale au quart de la longueur d'onde selon la direction de polarisation de l'onde électromagnétique pour la fréquence minimale de cette bande de fréquences, et comportant une découpe formant cavité (9), - un élément excitateur amovible (10) disposé dans cette cavité, qui agit en tant qu'excitateur de cette cavité (9), - une métallisation électriquement conductrice aux fréquences de fonctionnement de lantenne assurant une métallisation entre ledit élément excitateur (10) et ledit élément de structure (8).
2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle l'élément excitateur (10) comprend: - un élément (11) en matériau transparent aux ondes radiofréquences, rempli d'un matériau également transparent aux ondes radiofréquences, - une lamelle conductrice (12) formant un stub permettant de réaliser l' accord et l' adaptation de lantenne sur la bande de fréquences de fonctionnement, - un capot (13) en matériau transparent aux radiofréquences abritant l'élément excitateur (10) et assurant la continuité du profil de l'élément de structure (),
une ligne (14) d'alimentation du stub.
3. Antenne selon la revendication 2, dans laquelle l'élément excitateur (10) et le capot (13) sont en fibre de verre.
4. Antenne selon la revendication 2, dans laquelle le matériau qui remplit l'élément excitateur (10) est une résine ou un matériau thermoplastique
coulé.
5. Antenne selon la revendication 2, dans laquelle le stub est en cuivre recouvert en surfce
dune couche argentée.
6. Antenne selon la revendication 2, dans laquelle le capot (13) est fixé sur l'élément
excitateur (10) au moyen de vis amagnétiques.
7. Antenne selon l'une quelconque des
revendications précédentes dans laquelle l'élément
excitateur (10), a une forme apte à être fixée dans une entaille pratiquse dans un élément de la structure
d'une construction ou d'un véhicule.
8. Antenne selon la revendication 7, dans
lequel ledit véhicule est un avion.
9. Avion caractérisé en ce qu'au moins l'un de ses éléments de structure est muni d'une cavité dans laquelle est disposé un élément excitateur (10) selon
l'une quelcouque des revendications 1 à 7.
10. Avion caractérisé en ce qu'au mains l'un de ses éléments (21) d'extrémité d'aile est muni dune cavité dans laquelle est disposé un élément excitateur (10) selon l'une quelconque des
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