FR2994342A1 - Dispositif de decouplage entre antennes - notamment des antennes patchs montees sur un aeronef - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une surface passive à haute impédance (11), permettant de réaliser un découplage radioélectrique entre deux antennes (17, 18) fonctionnant au moins partiellement dans une bande de fréquences commune disposées sur la surface (19) d'une structure porteuse. Ce dispositif comporte un plan de masse conducteur (12), un ensemble de patchs conducteurs (13) disposés dans un plan et un substrat (15) d'épaisseur e séparant le plan de masse (12) du plan dans lequel sont disposés les patchs. Les patchs (13) sont reliés au plan de masse (12) par des vias (14). Le substrat est constitué par un matériau souple de type élastomère choisi pour ses caractéristiques mécaniques et diélectriques. L'épaisseur e de substrat, ainsi que la géométrie, le nombre et la disposition des patchs (13) sont déterminés, en tenant compte des contraintes externes, de façon à obtenir la valeur d'impédance désirée. Le dispositif est fixé sur la surface (19) de la structure considérée par l'intermédiaire d'un film adhésif (16) disposé sur la face du substrat (15) sur laquelle est situé le plan de masse (12).

Description

Dispositif de découplage entre antennes - notamment des antennes patchs montées sur un aéronef. L'invention se rapporte au domaine général des antennes. Elle se rapporte plus particulièrement au problème du découplage entre antennes proches les unes des autres. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, au découplage d'antennes patchs montées sur le fuselage d'un aéronef.

Certains systèmes électromagnétiques tels que les systèmes radioaltimètres montés sur des aéronefs sont constitués de deux antennes, une antenne émettrice et une antenne réceptrice, fonctionnant par principe dans la même bande de fréquences. Par suite pour éviter le couplage direct entre les deux antennes, couplage qui perturbe très sensiblement le fonctionnement du système, on essaie d'optimiser les implantations respectives de ces antennes. On essaie ainsi d'éloigner le plus possible les deux antennes l'une de l'autre afin de limiter le couplage, tout en maintenant une distance compatible du fonctionnement d'ensemble et des contraintes d'implantation (contraintes mécaniques, longueur et routage des câbles, accessibilité, etc..). Ainsi, par exemple, dans le cas particulier d'un radioaltimètre implanté sur un aéronef les normes en vigueur imposent d'espacer les deux antennes l'une de l'autre d'un distance minimale d'environ 70 cm Cependant, outre le fait qu'une telle contrainte d'écartement est difficile à satisfaire dans le cadre d'un aéronef, la place disponible sur le fuselage étant par nature limitée, vu le nombre d'antennes embarquées sur l'aéronef, celle-ci peut apparaitre à l'usage, pour un aéronef donné, insuffisante, dans certaines conditions, pour garantir le découplage nécessaire au bon fonctionnement de l'altimètre. Or, augmenter cette distance s'avère souvent complexe, en particulier si le changement de position des antennes qui en résulte doit être réalisé sur un aéronef déjà en service, pour lequel l'éventualité d'avoir à changer la position de certains équipements, tels que des antennes, n'a généralement pas été envisagée. Dans le domaine des équipements électromagnétiques aéronautiques, 5 la solution la plus couramment utilisée pour s'affranchir des effets de l'apparition d'un couplage, dans certaine circonstances particulières, consiste à prévoir une redondance des systèmes. Les erreurs de mesures pouvant apparaitre du fait d'un couplage parasite, sont détectées par comparaison des mesures délivrées par chacun des systèmes. Une telle solution induit 10 l'obligation pour le constructeur de multiplier les équipements montés sur l'aéronef et par là-même à accroitre significativement le poids de celui-ci, alors même que la tendance actuelle est de tenter d'alléger le poids des aéronefs de façon notamment à abaisser leur consommation en carburant. Cela entraine aussi des coûts d'installation et de maintenance. 15 Une solution connue pour renforcer le découplage entre deux antennes proches l'une de l'autre et fonctionnant dans la même bande de fréquences consiste à interposer entre les deux antennes un dispositif présentant une haute impédance dans la bande considérée. 20 Dans le cas d'antennes de type patch en particulier, le dispositif haute impédance se présente comme un élément plan, de faible épaisseur, constitué d'un substrat diélectrique, sur une face duquel sont disposées des pastilles (patchs) en matériau conducteur tandis que l'autre face est recouverte par un plan conducteur, faisant office de plan de masse. Les 25 dimensions et formes des patchs ainsi que leur arrangement est principalement fonction de la fréquence et du découplage souhaité. On qualifie communément un tel élément de métasurface ou de structure à base de métamatériau. Généralement, dans la mesure où, pour un système donné 30 comportant deux antennes fonctionnant dans la même bande de fréquences, un problème de couplage direct entre antennes est à craindre, il est connu de développer une structure regroupant à la fois les antennes et la surface à haute impédance qui est censée favoriser leur découplage. On réalise par exemple, sur un même substrat, à la fois les patchs constituant les antennes 35 et, entre ces deux patchs, l'arrangement de patchs formant la surface à haute impédance. On obtient ainsi un système compact ayant la forme d'un circuit imprimé et incluant les éléments rayonnants et le dispositif de découplage. Cependant, le découplage de deux antennes patchs peut être 5 développé a postériori en réalisant un dispositif à haute impédance sur un circuit imprimé séparé et en agençant ce circuit entre les deux circuits imprimés constituant les antennes. S'agissant de renforcer le découplage d'antennes patchs disposées 10 sur la surface externe du fuselage d'un aéronef, on est conduit à tenter d'utiliser la solution décrite précédemment, consistant à interposer entre les deux antennes, dans la zone de couplage, un circuit imprimé constituant une surface à haute impédance. Cependant l'utilisation de dispositifs de ce type, tels qu'ils sont réalisés 15 à l'heure actuelle pose des problèmes techniques importants. En effet, les dispositifs développés actuellement ont une structure relativement rigide qui favorise peu leur implantation sur une surface présentant des courbures, la surface externe du fuselage d'un aéronef par exemple, la surface du dispositif épousant avec peine le profil de la surface 20 sur laquelle il est placé, surtout lorsque le dispositif présente une surface importante. Par suite, même si le substrat utilisé pour réaliser le circuit imprimé constituant la structure à haute impédance présente une certaine élasticité, celle-ci est limitée et le maintien de la surface du dispositif en contact étroit 25 avec celle du fuselage requiert l'utilisation de moyens de fixation puissants disposés en différents points du dispositif haute impédance, généralement en périphérie dudit dispositif et qui nécessitent en général d'intervenir sur la structure elle-même. Par ailleurs, dans la mesure où la surface du dispositif épouse celle du 30 fuselage de manière plus ou moins imparfaite, le positionnement d'un tel dispositif sur la surface du fuselage est générateur de perturbations aérodynamiques indésirables, même si celui-ci présente une épaisseur plutôt faible.

Un but de l'invention est de proposer un dispositif simple permettant 5 d'améliorer le découplage entre antennes en particulier dans le cas d'équipements radioélectriques utilisant plusieurs antennes patchs fonctionnant dans la même bande de fréquences. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif simple à réaliser et pouvant être utilisé aussi bien pour équiper des aéronefs neufs 10 avec des antennes convenablement découplées que pour réaliser de manière simple une remise à hauteur d'aéronefs déjà en service pour améliorer le découplage des antennes déjà installées sur le fuselage. Autrement dit, un but de l'invention est de proposer une solution, à la fois efficace et simple à mettre en oeuvre, aux problèmes de couplage 15 pouvant exister entre deux antennes placées à proximité l'une de l'autre à la surface d'une structure porteuse non nécessairement plane, le fuselage d'un aéronef par exemple, cette solution étant applicable aussi bien lors de l'installation des équipements concernés sur la structure en question, que lors d'une opération de maintenance visant à améliorer ces équipements. 20 A cet effet l'invention a pour objet un dispositif passif à haute impédance, pour réaliser un découplage radioélectrique entre deux antennes fonctionnant au moins partiellement dans une bande de fréquences commune disposées sur la surface d'une structure porteuse. Le dispositif 25 selon l'invention comporte : - une feuille de matériau conducteur d'épaisseur et de surface données formant un plan de masse ; - une pluralité de patchs en matériau conducteur espacés les uns des autres et positionnés dans un plan en regard de ladite feuille en matériau 30 conducteur à une distance donnée de celle-ci; - un substrat en matériau diélectrique d'épaisseur donnée, disposé entre la feuille en matériau conducteur et les patchs, l'épaisseur, e, de matériau diélectrique entre les patchs et la surface de la feuille en matériau conducteur en regard desdits patchs maintenant ces derniers à la distance 35 voulue par rapport à cette dernière ; - des moyens pour assurer la fixation du dispositif a la surface de la structure, la fixation étant réalisée par la face de la feuille conductrice en regard de ladite surface. L'épaisseur e de substrat, ainsi que la géométrie, le nombre et la 5 disposition des patchs sont déterminés, en tenant compte des contraintes externes, de façon à obtenir la valeur de découplage désirée. Suivant des variantes de réalisations diverses le dispositif selon l'invention peut présenter les caractéristiques suivantes qui peuvent 10 éventuellement être combinées. Ainsi, selon une forme de réalisation du dispositif selon l'invention, le matériau diélectrique du substrat est un matériau souple de type élastomère pouvant épouser la forme de la surface de la structure sur laquelle le 15 dispositif est monté. Selon une caractéristique particulière le matériau diélectrique utilisé est du polychloroprène. 20 Selon une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention, les patchs sont reliés électriquement à ladite feuille en matériau conducteur par des conducteurs, ou vias Selon une autre forme de réalisation les moyens pour assurer la fixation 25 du dispositif à la surface de la structure sont constitués par une couche de matériau adhésif disposée sur la face de la feuille conductrice en regard de la surface de ladite structure. Selon une autre forme de réalisation, la permittivité du matériau formant 30 le substrat, l'épaisseur de substrat, e, séparant lesdits patchs de la feuille conductrice ainsi que les dimensions des patchs et leur arrangement sont définis de telle façon que le dispositif présente l'impédance voulue dans la bande de fréquence considérée, et que son épaisseur soit suffisamment faible pour limiter au minimum les effets de l'implantation du dispositif sur les 35 caractéristiques aérodynamiques de la structure.

Selon une autre forme de réalisation une couche de substrat recouvre le plan des patchs de façon à assurer une protection mécanique de la surface du dispositif.

Selon une autre forme de réalisation la surface externe du dispositif est recouverte d'un revêtement purement diélectrique.

Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui s'appuie sur les figures annexées qui présentent: - la figure1, une illustration du dispositif selon l'invention vu par sa face 15 externe - la figure2, une illustration en coupe selon A-A du dispositif selon l'invention ; - la figure 3, l'illustration d'un exemple d'application du dispositif selon l'invention sur un aéronef. 20 Dans la description qui suit, on présente, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention, particulièrement adapté à réalisation 25 d'un dispositif destiné à limiter le couplage entre deux antennes placées sur la paroi externe d'un aéronef. Il est bien évident cependant que du fait de sa simplicité de mise en oeuvre, un tel dispositif peut être utilisé pour améliorer le découplage d'antennes placées sur une paroi quelconque, la paroi externe d'un véhicule ou la paroi d'une structure fixe, même si le degré d'exigence 30 pour de tels équipements, en termes d'aérodynamisme notamment, est moindre. Comme l'illustrent les figures 1 et 2, Le dispositif selon l'invention prend, lorsqu'il est posé sur un plan, la forme d'un élément plat 11 présentant une face conductrice 12 formant un plan de masse, au-dessus de laquelle 35 sont placées des pastilles, ou patchs, conducteurs 13. Ces patchs 13 sont placés de préférence dans un même plan selon un arrangement de préférence régulier, un arrangement matriciel comme illustré par la figure 1 par exemple. L'espace entre la face conductrice et le plan dans lequel sont situés les patchs est noyé dans un substrat diélectrique 15.

Selon une forme particulière de l'invention, les patchs conducteurs 13 sont reliés à la face conductrice 12 par l'intermédiaire de liens de connections ou vias 14. Alternativement les patchs conducteurs 13 peuvent être isolés de la face conductrice 12. Selon la forme considérée la distance entre la face conductrice et le plan des patchs est bien entendu différente. La taille et le pas d'implantation des patchs 13, ainsi que l'épaisseur e de substrat séparant la surface des patchs de la face conductrice 12, sont par ailleurs déterminés de façon à ce que la structure ainsi formée présente une impédance élevée pour la bande de fréquences considérée, bande qui correspond à la bande de fonctionnement des antennes 17 et 18 dont on veut renforcer le découplage. Selon l'invention la détermination de ces paramètres peut être réalisée de n'importe quelle façon connue, au moyen d'un logiciel de conception de 20 circuits radioélectriques par exemple. Dans le cas d'application du dispositif au découplage d'antennes placées sur la surface externe de la paroi d'un aéronef, cas qui correspond à l'exemple exposé ici, l'épaisseur e est néanmoins choisie la plus faible possible de façon à ce que la mise en place du dispositif sur cette paroi ne 25 génère pas de turbulence aérodynamique. Selon l'invention le substrat utilisé pour réaliser le dispositif à haute impédance est avantageusement constitué par un matériau souple, un matériau élastomère, choisi en particulier pour ses caractéristiques 30 diélectriques et mécaniques (élasticité, tenue à l'érosion, etc...), un polychloroprène par exemple. La réalisation du dispositif selon l'invention se fait alors en intégrant sur une des faces du substrat 15 les patchs conducteurs 13, des pastilles métalliques par exemple et sur l'autre face la couche conductrice 12, une fine feuille de métal par exemple, puis en reliant 35 électriquement (mise en place de vias) les patchs 13 à la couche conductrice 12 au travers du substrat 15. Dans le cas où les patchs et la couche conductrice sont des éléments métalliques, les liaisons électriques 14 sont réalisées en perçant le substrat 15 de part en part au niveau des patchs 13 et en remplissant d'un métal de brasage les perçages réalisés.

Dans une forme de réalisation particulière, adaptée notamment à la réalisation de dispositifs à haute impédance destinés à être montés sur le fuselage d'un aéronef, la surface des patchs 13 est recouverte d'un revêtement qui en limite l'érosion. Ce revêtement peut être constitué par une couche supérieure de matériau élastomère, le matériau constituant le substrat généralement, comme illustré par la figure 2. Il peut également être constitué par une couche de peinture présentant les caractéristiques diélectriques voulues.

Le dispositif ainsi réalisé présente l'avantage, de par sa structure souple et élastique, de pouvoir être placé sur une surface non nécessairement plane, la face d'appui du dispositif 11 sur ladite surface, la face qui porte la couche conductrice 12 généralement, pouvant se conformer naturellement pour épouser le profil de la surface considérée. Par suite, la fixation du dispositif et son ajustement sur cette surface, réalisés en imprimant un minimum de contraintes au substrat 15, se trouvent avantageusement facilités par rapport à un dispositif comportant un substrat rigide. Le dispositif selon l'invention peut donc être mis et maintenu en place, en contact avec la surface 19, par tout moyen de fixation.

Préférentiellement, le dispositif selon l'invention, est fixé à la surface considéré par simple collage. A cet effet, la structure décrite précédemment peut être avantageusement complétée par une couche 15 de matériau adhésif, un film de colle acrylique par exemple, recouvrant la face de pose du dispositif, c'est-à-dire la face du substrat 15 qui porte la couche conductrice 12 généralement. La figure 3 présente un exemple d'application du dispositif selon l'invention pour réaliser le découplage d'antennes formant un radioaltimètre, équipement qui est généralement doublé, comme l'illustre la figure 3.

D'un point de vue fonctionnel, le dispositif selon l'invention est placé sur la zone du fuselage, 31 ou 32, qui sépare les deux antennes 17 et 18 du radioaltimètre considéré. Ces antennes sont, pour des raisons fonctionnelles, situées sous le fuselage, à un endroit où la paroi 19 du fuselage n'est généralement pas plane, de sorte que le caractère souple du substrat 15 apparaît ici comme particulièrement avantageux. Comme l'illustre la vue agrandie 3b de la figure 3, Le maintien en place du dispositif est alors assuré par simple collage au moyen du film adhésif 15.

Dans cet exemple d'application on conçoit que, dans la mesure où le fuselage est sujet à un écoulement d'air important, et que de la fluidité de cet écoulement est liée aux qualités aérodynamiques de l'aéronef il est important que la mise en place du dispositif selon l'invention entre les antennes 17 et 18 génère le moins possible de perturbations de cet écoulement. Pour ce faire l'épaisseur du substrat 15 est déterminée de telle façon que le dispositif 11 ait une épaisseur sensiblement identique à celle des antennes patch 17 et 18 entre lesquelles il est placé. La forme et les dimensions des patchs 13 sont alors déterminées de façon à maximiser l'impédance du dispositif, compte tenu de l'épaisseur du substrat 15 et de ses caractéristiques diélectriques. Ainsi, par exemple, pour réaliser le découplage des antennes d'un radioaltimètre dont la fréquence de travail se situe aux environs de 4.3 GHZ, et compte tenu des contraintes aérodynamiques, le dispositif 11 selon l'invention, tel qu'illustré par la figure 1 peut présenter les caractéristiques structurelles et dimensionnelles suivantes : - Substrat en polychloroprène d'épaisseur égale à 3,175 mm et de permittivité relative égale à 3,5 ; - Métallisation de la surface inférieure du substrat destinée à être en 30 contact avec le fuselage ; - Implantation, sur la face opposée du substrat, d'un réseau matriciel de 151 9 patchs métalliques de forme carrée de dimensions 16,085 mm * 16,085 mm ; - Périodicité des patchs du réseau égale à 20,25 mm dans les deux 35 directions. - Connexion des patchs au plan métallique par vias métalliques de rayon égal à 0,7221 mm L'utilisation d'un dispositif de structure souple, dont la fixation peut être 5 effectuée par simple collage, représente, dans cet exemple de mise en oeuvre en particulier, une solution simple, vraiment avantageuse, qui permet notamment, lorsque le dispositif est monté, après fabrication, sur le fuselage d'un aéronef déjà en service, de simplifier les opérations nécessaires au montage de ce dispositif et de ne pas nécessiter de modifications du 10 fuselage susceptibles de dégrader l'intégrité structurale de la plateforme ni d'entrainer d'opérations de contrôle de cette intégrité. L'avantage majeur du dispositif selon l'invention réside, plus généralement, dans le fait que sa mise en place sur une structure existante pour améliorer le découplage de deux antennes montées sur cette structure, 15 à proximité l'une de l'autre, ne requiert pratiquement aucune intervention sur la structure elle-même ni sur les antennes concernées. Le coût et la complexité de mise en oeuvre d'une telle solution sont donc avantageusement réduits et la mise en oeuvre de cette solution n'est donc pas limitée à des structures complexes et fragiles telles qu'un fuselage 20 d'aéronef, mais peut être envisagée pour des structures diverses.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif passif à haute impédance (11), pour réaliser un découplage radioélectrique entre deux antennes (17, 18) fonctionnant au moins partiellement dans une bande de fréquences commune disposées sur la surface (19) d'une structure porteuse, caractérisé en ce qu'il comporte : - une feuille de matériau conducteur (12) d'épaisseur et de surface données formant un plan de masse ; - une pluralité de patchs (13) en matériau conducteur espacés les uns des autres et positionnés dans un plan en regard de ladite feuille (12) en matériau conducteur à une distance donnée de celle-ci; - un substrat (15) en matériau diélectrique d'épaisseur donnée, disposé entre la feuille (12) en matériau conducteur et les patchs, l'épaisseur, e, de matériau diélectrique entre les patchs (13) et la surface de la feuille (12) en matériau conducteur en regard desdits patchs (13) maintenant ces derniers à la distance voulue par rapport à cette dernière ; - des moyens (16) pour assurer la fixation du dispositif a la surface (19) de la structure, la fixation étant réalisée par la face de la feuille conductrice (12) en regard de ladite surface (19) ; l'épaisseur e de substrat, ainsi que la géométrie, le nombre et la disposition des patchs (13) étant déterminés, en tenant compte des contraintes externes, de façon à obtenir la valeur de découplage désirée.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau diélectrique du substrat (15) est un matériau souple de type élastomère pouvant épouser la forme de la surface(19) de la structure sur laquelle le dispositif est monté.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau diélectrique utilisé est du polychloroprène.
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les patchs (13) sont reliés électriquement à ladite feuille (12) en matériau conducteur par des conducteurs (14), ou vias
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens (16) pour assurer la fixation du dispositif à la surface (19) de la structure sont constitués par une couche de matériau adhésif disposée sur la face de la feuille conductrice (12) en regard de la surface (19) de ladite structure.
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la permittivité du matériau formant le substrat (15), l'épaisseur de substrat, e, séparant lesdits patchs (13) de la feuille conductrice (12) ainsi que les dimensions des patchs (13) et leur arrangement sont définis de telle façon que le dispositif présente l'impédance voulue dans la bande de fréquence considérée, et que son épaisseur soit suffisamment faible pour limiter au minimum les effets de l'implantation du dispositif sur les caractéristiques aérodynamiques de la structure.
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une couche de substrat (15) recouvre le plan des patchs (13) de façon à assurer une protection mécanique de la surface du dispositif.
8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa surface externe est recouverte d'un revêtement purement diélectrique.