FR3000844A1 - Antenne du type a reseau circulaire amelioree - Google Patents

Abstract

Cette Antenne (10) comporte un réseau constitué par des éléments rayonnants disposés autour d'un axe longitudinal (A), et une structure de support du réseau. Elle se caractérisé en ce que : chaque élément rayonnant est constitué par un monopôle orienté sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal (A) ; et, la structure de support forme un réflecteur (100) des ondes émises par chaque monopôle et est constitué d'au moins une paroi extérieure (46), dite de base, sur laquelle chaque monopôle est implanté, par l'une de ses extrémités ), l'autre extrémité de chaque monopôle restant libre, la paroi extérieure (46) étant sensiblement plane et disposée transversalement à l'axe longitudinal (A).

Description

Antenne du type à réseau circulaire améliorée L'invention a pour domaine celui des antennes du type à réseau circulaire, comportant un réseau circulaire, qui est constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants disposés autour d'un axe longitudinal, et d'une structure de support du réseau. Le document « Dipole uniform circular area backed by a cylindrical reflector » de Y.Cai et al., 2010 proceedings of the European Conference on Antennas and propagation (EuCAP), Barcelona, Spain, 08.12.2010, divulgue une antenne du type précité. Dans cette antenne connue, la structure de support est tubulaire le long de l'axe longitudinal. Elle présente une paroi extérieure cylindrique dont le rayon est inférieur au rayon du réseau circulaire. Placée derrière les éléments rayonnants, la paroi extérieure sert de réflecteur aux ondes électromagnétiques émises par ces derniers. Dans cette antenne, les éléments rayonnants sont des dipôles. Chaque dipôle est fixé, par son milieu, à la paroi extérieure de la structure de support au moyen d'un bras s'étendant radialement. En conséquence, les moyens électroniques et électriques permettant l'application d'un signal adapté à chaque élément rayonnant sont logés, à l'intérieur de zone centrale, délimitée axialement, à l'intérieur de la structure de support. Ainsi, la zone centrale est encombrée par les moyens électroniques et électriques d'alimentation des éléments rayonnants. Une telle antenne ne peut donc pas être montée autour d'un mât ou permettre le passage de câbles pour d'autres systèmes qui seraient situés au-dessus de l'antenne. Les dimensions de la structure de support ne peuvent pas être aussi petites que certaines utilisations de l'antenne peuvent le nécessiter. Un exemple d'une utilisation imposant des contraintes de compacité forte est donné, dans le domaine maritime, par l'utilisation d'une antenne du type à réseau circulaire pour équiper de petites embarcations, telles que des bateaux pneumatiques ou des drones. L'invention a donc pour but de résoudre ce problème, en proposant notamment une antenne du type précité présentant une compacité accrue.

A cette fin, l'invention a pour objet une antenne du type à réseau circulaire, comportant un réseau, constitué par une pluralité d'éléments rayonnants disposés autour d'un axe longitudinal de l'antenne, et une structure de support du réseau, caractérisé en ce que : - chaque élément rayonnant du réseau est constitué par un monopole, de préférence filiforme, orienté sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal ; et, - la structure de support forme un réflecteur propre à réfléchir les ondes électromagnétiques émises par chaque monopôle et constitué d'au moins une paroi extérieure, dite de base, sur laquelle chaque monopôle est implanté, de préférence par l'une de ses extrémités, l'autre extrémité de chaque monopôle restant alors libre, ladite paroi extérieure étant, au moins au voisinage du point d'implantation de chaque monopôle sensiblement plane et disposée transversalement à l'axe longitudinal de l'antenne. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'antenne comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - une longueur d'un monopôle est sensiblement égale au quart d'une longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne ; - ladite paroi extérieure est reliée électriquement à une masse électrique de l'antenne ; - le réflecteur est constitué d'au moins une autre paroi extérieure permettant de redistribuer la puissance émise par les monopôles dans un plan sensiblement transversal à l'axe longitudinal ; - ladite paroi extérieure dite de base comporte une première surface formant un disque disposé transversalement à l'axe longitudinal et sur laquelle sont implantés les monopôles, et ladite au moins une autre paroi extérieure est une paroi extérieure, dite de coiffe, qui comporte une première surface formant un disque disposé transversalement à l'axe longitudinal, au-dessus des monopôles du réseau ; - une distance entre les premières surfaces de la paroi extérieure dite de base et de la paroi extérieure dite de coiffe, au moins au voisinage du point d'implantation d'un monopôle, est sensiblement égale à la moitié d'une longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne ; - la paroi extérieure dite de base comporte une seconde surface en forme de tronc de cône dont un axe coïncide avec l'axe longitudinal de l'antenne et présentant un premier angle au sommet, et la paroi extérieure dite de coiffe comporte une seconde surface en forme de tronc de cône dont un axe coïncide avec l'axe longitudinal de l'antenne et présentant un second angle au sommet, les secondes surfaces de la paroi extérieure dite de base et de la paroi extérieure dite de coiffe constituant, ensemble, un moyen d'adaptation d'impédance ; - l'antenne comporte, en outre, une paroi extérieure formant un cylindre de révolution autour de l'axe longitudinal, située entre ladite paroi extérieure de base et ladite paroi extérieure de coiffe et présentant un rayon inférieur au rayon du réseau ; - la ou chaque paroi extérieure constitutive du réflecteur est en un matériau conducteur électrique, notamment en aluminium ; - la structure de support comporte une base portant extérieurement la paroi extérieure dite de base, et délimitant intérieurement un logement annulaire situé axialement à l'aplomb des monopôles du réseau et propre à recevoir des moyens électrique et/ou électronique d'alimentation des monopôles ; - la structure de support comporte un passage axial entre la ou les parois extérieures constitutives du réflecteur. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue éclatée d'un mode de réalisation privilégié d'une antenne du type à réseau circulaire ; - la figure 2 est une vue de côté de l'antenne de la figure 1 ; et, - la figure 3 est une vue agrandie de l'antenne de la figure 1 au voisinage d'un point d'implantation d'un élément rayonnant sur une structure de support. L'antenne du type à réseau circulaire 10 comporte un réseau circulaire 12 et une structure de support 14. Le réseau 12 est constitué par une pluralité d'éléments rayonnants, élémentaires et individuels, qui sont des monopôles 20. Dans le mode de réalisation décrit ici en détail, le réseau 12 est constitué par seize monopôles 20. Les monopôles 20 sont disposés uniformément sur un cercle de rayon R et de centre O. L'axe transversal à ce cercle et passant par son centre 0 constitue un axe longitudinal A de l'antenne 10. L'axe longitudinal A est orienté de haut en bas sur les figures, le réseau 12 étant destiné à être utilisé pour émettre dans un plan transversal à l'axe longitudinal A qui soit sensiblement horizontal. Chaque monopôle 20 est filiforme. Il présente une longueur! sensiblement égale à un quart de la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne 10.

Chaque monopôle 20 est orienté parallèlement à l'axe longitudinal A. Il est fixé à la structure de support 14 par une extrémité inférieure 22, l'extrémité supérieure 24 restant libre. La structure de support 14 comporte une base 34, une partie intermédiaire 36 et une coiffe 38.

La base 34 résulte de l'assemblage d'une pièce inférieure 40 et d'une pièce supérieure 42, de manière à délimiter un logement annulaire 44.

La pièce supérieure 42 présente une paroi extérieure 46 et une paroi intérieure 47, la paroi intérieure 47 participant à la délimitation le logement 44. La paroi extérieure 46 comporte une première surface 48 formant un disque de rayon R1 et de centre 0, disposé transversalement à l'axe longitudinal A. Le rayon R1 est supérieur au rayon R du réseau 12. De préférence, la différence entre le rayon R1 et le rayon R est égale à 2/6. La paroi extérieure 46 comporte une seconde surface 50 formant un tronc de cône d'axe, l'axe longitudinal A, de demi angle au sommet, un premier angle aigu ai, et s'étendant entre des sections transversales inférieure de rayon R2 et supérieure de rayon Ri. Le rayon R2 est supérieur au rayon R1 et au rayon R. De préférence, la différence entre le rayon R2 et le rayon R est égale à 2/2. La hauteur hl selon l'axe A de la seconde surface 50 vaut, de préférence, 2/4. Les première et seconde surfaces 48 et 50 sont connectées l'une à l'autre le long d'une arête 49 constituant à la fois le bord périphérique de la première surface 48 et le bord supérieur de la seconde surface 50. La normale à la seconde surface 50 est orientée vers le haut et radialement vers l'extérieur. La normale à la première surface 48 et la normale à la seconde surface 50 forment entre elles un angle aigu égal à l'angle al .

La paroi extérieure 46 comporte une troisième surface 52 de forme cylindrique autour de l'axe longitudinal A et de rayon R2. La hauteur hm selon l'axe A de la troisième surface 52 est, de préférence, égale à 2/8. Les seconde et troisième surfaces 50 et 52 sont connectées l'une à l'autre le long d'une arête Si constituant le bord inférieure de la seconde surface 49. Au voisinage du bord libre de la troisième surface 52, la pièce supérieure 42 délimite une ouverture circulaire 53. La pièce inférieure 40 de la base 34 est un disque dont l'épaisseur est sensiblement égale à la hauteur de la troisième surface 52 de la pièce supérieure 42.

La pièce inférieure 40 est reçue, de manière ajustée, à l'intérieur de l'ouverture 53 de manière à fermer le logement 44. Les monopôles 20 du réseau 12 sont fixés sur la pièce supérieure 42 de la base 34. Comme cela est représenté en détail sur la figure 3, au niveau du point d'implantation d'un monopôle 20, la pièce supérieure 42 comporte un trou traversant 54 débouchant sur la paroi supérieure 46 et sur la paroi inférieure 47.

Un connecteur 56 est fixé sur la paroi inférieure 47, par exemple au moyen d'un ensemble de fixation 55 constitué d'une bride et de vis. Le connecteur 56 comporte une embase 57, qui est solidaire de la bride de l'ensemble de fixation 55, un blindage 58 diélectrique, qui s'étend au-delà de l'embase 57 à l'intérieur du trou traversant 47, de manière à affleurer au niveau de la paroi supérieure 46 et permettre une continuité de l'impédance, et une âme 59, qui s'étend au-delà du blindage 48 à l'écart de la paroi supérieure 46. Chaque monopôle 20 est solidaire mécaniquement et électriquement de l'âme 59 du connecteur 56. Dans un premier mode de réalisation, plus particulièrement représenté sur les figures, le monopôle est une tige métallique rapportée, par exemple par soudure, à l'extrémité de l'âme 59. Dans un second mode de réalisation, le monopôle est constitué par l'âme 59 du connecteur 56 qui s'étend à l'écart de la paroi 46, sur lune longueur de 2/4 L'embase 57 du connecteur 56 est propre à être connectée à des moyens électriques et/ou électroniques d'application d'un signal adapté à un monopôle 20. Ces moyens sont représentés schématiquement sur la figure 3 et portent la référence 110. Le logement annulaire 44, délimité intérieurement dans la base 34 à l'aplomb des monopôles 20 du réseau 12, reçoit les moyens électroniques et/ou électriques 110 d'alimentation des différents monopôles 20. Ces moyens sont donc disposés au-dessous de chacun des monopôles 20. La zone centrale 60 de l'antenne 10, située le long de l'axe longitudinal A et concentrique au réseau 12, est par conséquent libre. Elle est dégagée de tout équipement nécessaire au fonctionnement de l'antenne. La partie intermédiaire 36 de la structure de support 14 est tubulaire et présente une paroi radialement à l'extérieure 62 de forme cylindrique autour de l'axe A de l'antenne de hauteur h3 et de rayon R3. La hauteur h3 correspond sensiblement à deux fois la longueur d'un monopôle 20, c'est-à-dire la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne, 2/2. Le rayon R3 est inférieur au rayon R du réseau 12. De préférence, la différence entre le rayon R et le rayon R3 est égale à 2/4. La coiffe 38 résulte de l'assemblage d'une pièce inférieure 82 et d'une pièce supérieure 80 délimitant entre elles un logement annulaire 84. La pièce inférieure 82 présente une paroi extérieure 86 et une paroi intérieure 87, la paroi intérieure 87 participant à la délimitation du logement 84.

La paroi extérieure 86 comporte une première surface 88 formant un disque de rayon R-1 et de centre 0', disposé transversalement à l'axe longitudinal A. Le centre 0' est situé au-dessus du centre 0 le long de l'axe longitudinal A, à une distance h3 de ce dernier. La paroi extérieure 86 comporte une seconde surface 90 formant un tronc de cône d'axe, l'axe longitudinal A, de demi angle au sommet, un second angle aigu a2, et s'étendant entre les sections transversales inférieure de rayon R1 et supérieure de rayon R2. La hauteur h2 selon l'axe A de la seconde surface 90 vaut, de préférence, 2/ 6. Les première et seconde surfaces 88 et 90 sont connectées l'une à l'autre le long d'une arête 89 constituant à la fois le bord périphérique de la première surface 88 et le bord inférieur de la seconde surface 90. La normale à la seconde surface 90 est orientée vers le bas et radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe longitudinal A. La normale à la première surface 88 et la normale à la seconde surface 90 forment entre elles un angle aigu égal à l'angle a2. La paroi extérieure 86 comporte une troisième surface 92 de forme cylindrique autour de l'axe longitudinal A et de rayon R2. La hauteur selon l'axe A de la troisième surface 92 est, de préférence, égale à hm. Les seconde et troisième surfaces 90 et 92 sont connectées l'une à l'autre le long d'une arête 91 constituant le bord supérieur de la seconde surface 90. Au voisinage de bord libre de la troisième surface 92, la pièce inférieure 82 délimite une ouverture circulaire 93. La pièce supérieure 80 de la coiffe 38 est un disque dont l'épaisseur est sensiblement égale à la hauteur de la troisième surface 92 cylindrique de la pièce inférieure 82. La pièce supérieure 80 est reçue, de manière ajustée, à l'intérieur de l'ouverture 93 de manière à fermer le logement 84. En position assemblée des différentes pièces de la structure de support 14, les parois extérieures 46, 62 et 86, respectivement de la pièce supérieure 42 de la base 34, de la partie intermédiaire 36 et de la pièce inférieure 82 de la coiffe 38 constituent un réflecteur 100 de l'antenne 10, propre à réfléchir des ondes électromagnétiques émises par les monopôles 20. Les parois extérieures 46, 62 et 86 sont réalisées dans un matériau conducteur du courant électrique, en particulier de l'aluminium, de manière à réfléchir les ondes électromagnétiques. Les parois extérieures 46, 62 et 86 sont avantageusement connectées électriquement à une masse électrique de l'antenne.

En particulier, la première surface 48 de la pièce supérieure 42 de la base 34 constitue un miroir électromagnétique, de sorte que le comportement du réseau 12 constitué de monopoles se rapproche de celui d'un réseau constitué de dipôles, utilisé dans les antennes de l'art antérieur.

Les surfaces 62 et 88 permettent alors d'éviter les pertes électromagnétiques à élévation faible, c'est-à-dire les pertes selon une direction sensiblement parallèle de l'axe longitudinal A et vers le haut, à l'écart de la base 34. Pour ce faire, les surfaces 62 et 88 redistribuent la puissance électromagnétique à une élévation proche de 900 par rapport à l'axe A, c'est-à-dire dans un plan transversal à l'axe A.

Les secondes surfaces coniques 50 et 90 de la base 34 et de la coiffe 38 permettent une adaptation de l'impédance entre la cavité électromagnétique délimitée par les surfaces du réflecteur 100 situées radialement à une distance de l'axe A inférieure au rayon R1, et l'espace environnant l'antenne 10, qui s'étend radialement à une distance supérieure au rayon R2.

Il a été trouvé que l'adaptation d'impédance est la meilleure pour les différentes dimensions des paramètres R, R1, R2, R3, hi, h2, h3 et hm indiquées ci-dessus comme préférentielles. Par exemple, pour une valeur de la longueur d'onde 2 de 2,3 GHz et pour un rayon R égal à environ 15 cm, hl vaut 3,26 cm , h2 vaut 2,17 cm, h3 vaut 15,21 cm. Il est à noter que la forme biseautée du réflecteur 100 de l'antenne 10 permet de réduire la surface équivalente radar de l'antenne 10. Dans le mode de réalisation présenté précédemment, les premières surfaces des parois extérieures de la base et de la coiffe, qui sont disposées transversalement à l'axe de l'antenne et en regard l'une de l'autre, présentent un rayon R1 identique. Dans une variante, elles présentent des rayons différents.

Dans encore une autre variante, les parois extérieures délimitant le réflecteur de l'antenne ont une section axiale de forme différente, par exemple proche de celle d'une parabole dont l'axe serait sensiblement orthogonal à l'axe A, ou tout autre forme permettant de guider les ondes électromagnétiques. L'homme du métier constatera qu'un élément rayonnant du réseau est, selon la présente antenne, fixé par son extrémité inférieure. Par conséquent, cet élément rayonnant ne peut être que du type monopôle. Un tel monopole présente une moindre qualité d'émission par rapport à un élément rayonnant du type dipôle. Cependant, la dégradation des performances liée au choix du type d'élément rayonnant est compensée par la forme du réflecteur 100 de l'antenne.

Cependant, la possibilité de maintenir l'élément rayonnant par l'une de ses extrémités, permet de positionner et de connecter les moyens électroniques et/ou électriques d'alimentation de cet élément rayonnant directement à l'aplomb de ce dernier. Par conséquent, la zone centrale 60 de l'antenne 10, autour de l'axe A de celle-ci est libérée : soit cette zone centrale est réduite radialement, permettant d'augmenter au maximum la compacité de l'antenne ; soit cette zone centrale est utilisée par exemple pour le passage de câbles électriques reliant un ou plusieurs dispositifs situés axialement au-dessus de l'antenne, tel que par exemple un radar de navigation, et/ou pour le montage de l'antenne autour d'un mât. Avantageusement, la partie intermédiaire 36 du support constitue un blindage permettant que l'antenne fonctionne sans être perturbé par les courants circulant le long des câbles placés dans la zone centrale de l'antenne.

Dans ce dernier cas, les pièces inférieures et supérieures de la base et celles de la coiffe sont alors percées de manière adaptée pour permettre le passage de ces câbles à travers l'antenne. On notera que le matériau conducteur électrique des parois constitutives du réflecteur agit comme un blindage propre à éviter que les courants circulant dans ces câbles ne viennent perturber le fonctionnement de l'antenne. Avantageusement, de tels dispositifs sont fixés directement sur la pièce supérieure formant couvercle de la coiffe. Celle-ci est alors munie de moyens de fixation adaptés qui peuvent éventuellement faire saillie à l'intérieur du logement 84 délimité intérieurement dans la coiffe 38.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Antenne (10) du type à réseau circulaire, comportant un réseau (12), constitué par une pluralité d'éléments rayonnants disposés autour d'un axe longitudinal (A) de l'antenne, et une structure de support (14) du réseau, caractérisé en ce que : - chaque élément rayonnant du réseau (12) est constitué par un monopole (20) filiforme, orienté sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal (A) ; et, - la structure de support (14) forme un réflecteur (100) propre à réfléchir les ondes électromagnétiques émises par chaque monopôle (20) et constitué d'au moins une paroi extérieure (46) dite de base sur laquelle chaque monopôle (20) est implanté, par l'une de ses extrémités (22), l'autre extrémité (24) de chaque monopôle restant libre, ladite paroi extérieure (46) étant, au moins au voisinage du point d'implantation de chaque monopôle, sensiblement plane et disposée transversalement à l'axe longitudinal (A) de l'antenne.
2. 2. Antenne (10) selon la revendication 1, dans laquelle une longueur d'un monopôle (20) est sensiblement égale au quart d'une longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne (10).
3. 3. Antenne (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite paroi extérieure (46) est reliée électriquement à une masse électrique de l'antenne.
4. 4. Antenne (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réflecteur (100) est constitué d'au moins une autre paroi extérieure (62, 86) permettant de redistribuer la puissance émise par les monopôles (20) dans un plan sensiblement transversal à l'axe longitudinal (A).
5. 5. Antenne (10) selon la revendication 4, dans laquelle ladite paroi extérieure (46) dite de base comporte une première surface (48) formant un disque disposé transversalement à l'axe longitudinal (A) et sur laquelle sont implantés les monopôles (20) et en ce que ladite au moins une autre paroi extérieure est une paroi extérieure (82) dite de coiffe, qui comporte une première surface (88) formant un disque disposé transversalement à l'axe longitudinal (A), au-dessus des monopôles (20) du réseau (12).
6. 6. Antenne (10) selon la revendication 5, dans laquelle une distance entre les premières surfaces de la paroi extérieure (46) dite de base et de la paroi extérieure (82)dite de coiffe, au moins au voisinage du point d'implantation d'un monopôle (20), est sensiblement égale à la moitié d'une longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne (10).
7. 7. Antenne (10) selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, dans laquelle la paroi extérieure (46) dite de base comporte une seconde surface (50) en forme de tronc de cône dont un axe coïncide avec l'axe longitudinal (A) de l'antenne et présentant un premier angle au sommet (ai), et en ce que la paroi extérieure (82) dite de coiffe comporte une seconde surface (90) en forme de tronc de cône dont un axe coïncide avec l'axe longitudinal (A) de l'antenne et présentant un second angle au sommet (a2), les secondes surfaces de la paroi extérieure dite de base et de la paroi extérieure dite de coiffe constituant ensemble un moyen d'adaptation d'impédance.
8. 8. Antenne (10) selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans laquelle le réflecteur (100) comporte, en outre, une paroi extérieure formant un cylindre de révolution autour de l'axe longitudinal (A), située entre ladite paroi extérieure de base et ladite paroi extérieure de coiffe et présentant un rayon inférieur à un rayon du réseau (12).
9. 9. Antenne (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la ou chaque paroi extérieure constitutive du réflecteur (100) est en un matériau conducteur électrique, notamment en aluminium.
10. 10. Antenne (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la structure de support (14) comporte une base portant extérieurement la paroi extérieure (46) dite de base, et délimitant intérieurement un logement annulaire (44) situé axialement à l'aplomb des monopôles (20) du réseau (12), et propre à recevoir des moyens électrique et/ou électronique (110) d'alimentation des monopôles.
11. 11. Antenne (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la structure de support (14) comporte un passage axial (60) entre la ou les parois extérieures constitutives du réflecteur (100).