FR3012684A1 - Antenne radiofrequence sous-marine - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une antenne radiofréquence sous-marine apte à rayonner dans un milieu de propagation sous-marin ou équivalent. Elle comporte - un tube (1) conducteur creux formant une cavité résonante, ledit tube conducteur ayant une extrémité ouverte et une extrémité fermée, - des moyens d'excitation (2) de ladite cavité résonante propres à être alimentés en signaux et agencés de manière à ce que la cavité résonante émette un rayonnement électromagnétique à travers ladite extrémité ouverte, - au moins une couche (4) de matériau diélectrique remplissant au moins partiellement ladite cavité résonante pour fermer l'extrémité ouverte de la cavité résonante et rendre ladite cavité étanche vis-à-vis du milieu sous-marin, ladite couche étant apte à résister à la pression en milieu sous-marin et à laisser passer ledit rayonnement électromagnétique.

Description

Domaine technique La présente invention se rapporte au domaine des systèmes de communication sous-marine et plus particulièrement aux antennes utilisées dans les systèmes de communication sous-marines communiquant par ondes radio ou signaux électromagnétiques. L'invention concerne plus particulièrement une antenne radiofréquence sous-marine. Etat de la technique L'utilisation des ondes électromagnétiques comme support de transmission d'un message dans la mer est ancienne puisque ce principe fut l'objet du brevet n°1242 déposé au Royaume-Uni en 1854 par Lord Lindsay et intitulé "A Mode of Transmitting Messages by Means of Electricity through and across a Body or Bodies of Water", ceci dans le contexte des liaisons transatlantiques en plein développement à cette époque. La transmission entre sous-marins conventionnels puis stratégiques, l'exploitation des ressources sous- marines (gaz, pétrole notamment), le développement de l'océanographie, vont constituer les principaux moteurs pour motiver le développement des communications radio sous-marines. Comme l'indique R.K. Moore dans le document intitulé «Radio communication in the sea», Spectrum, IEEE, vol.4, no.11, p.42-51, 1967, de longues distances ne peuvent être atteintes que par l'utilisation de très basses fréquences (ELF et VLF, jusqu'à quelques dizaines de kHz), conduisant à des antennes de très grandes dimensions et à des débits très bas à cause de la faible bande passante et des bruits atmosphériques radios très élevés aux basses fréquences. Moore mentionne qu'il est plus facile de communiquer de la terre avec un homme sur la lune plutôt que de la surface de l'eau jusqu'à un sous-marin profondément immergé à 100 km de distances dans ces conditions.

Dans le document intitulé «Electromagnetic propagation between antennas submerged in the ocean», Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol.21, no.4, p.507513, 1973, Siegel & al. publient des mesures de transmissions radio sous-marines à 100 KHz et 14 MHz.

Les portées expérimentales respectives obtenues sont de 16m et 5m environ, mais aucune transmission d'information n'est présentée dans l'article. Les antennes d'émission et de réception employées sont des antennes dipôles.

Le document «Equations for Calculating the Dielectric Constant of Saline Water», de A. Stogryn, Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol.19, no.8, p.733-736, 1971 est un article qui présente un modèle mathématique empirique de l'atténuation des ondes électromagnétiques dans l'eau de mer, en fonction des paramètres critiques : la salinité, la température et la fréquence. Ce modèle permet d'envisager la conception paramétrable de dispositifs rayonnants dans l'eau de mer. D'autres modèles seront publiés ensuite, tel que celui décrit dans le document « An improved model for the dielectric constant of sea water at microwave frequencies », de L.Klein et C.T.Swift, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 25, n°. 1, p. 104-111, 1977 ou celui de R.Somaraju et J.Trumpf basé sur une approche électro physiologique de l'eau salée et décrit dans le document «Frequency, Temperature and Salinity Variation of the Permittivity of Seawater», Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol.54, no.11, p.3441-3448, 2006.

L'utilisation d'antennes sous-marines modernes est présentée dans le document «Propagation of electromagnetic waves at MHz frequencies through seawater», de A.I.Al-Shamma'a, A.Shaw, et S.Saman, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol.52, no.11, p.2843-2849, 2004, avec des fréquences de l'ordre du MHz et des expérimentations sur les docks de Liverpool en Angleterre. Les antennes présentées sont basées sur la technologie filaire et constituées par des boucles résonantes, avec des portées horizontales présentées jusqu'à 85 m en eau peu profonde. La société Wireless Fiber and Systems Technologies (WFS) a développé cette technologie d'antennes filaires immergées (boucles, monopoles, dipôles) et commercialisé à une échelle mondiale les premiers 25 modems radio sous-marin utilisant cette technologie.

Résumé de l'invention Dans ce contexte, l'invention vise à répondre au besoin d'une transmission haut débit de données, par exemple des données vidéo temps réel ou différé, ou des données de mesure, sans contact entre deux équipements immergés en mer, éventuellement non parfaitement stabilisés. Un objet de l'invention est donc de proposer une antenne radiofréquence sous-marine qui puisse être employée pour une transmission de données sans contact entre deux équipements immergés dont l'un au moins est muni de cette antenne. Un autre objet de l'invention est de proposer une antenne peu sensible aux variations des conditions de mer, notamment aux variations de pression, de salinité, et de température. A cet effet, l'invention concerne une antenne radiofréquence sous-marine apte à rayonner dans un milieu de propagation sous-marin, comportant - un tube conducteur creux formant une cavité 20 résonante, ledit tube conducteur ayant une extrémité ouverte et une extrémité fermée, - des moyens d'excitation de ladite cavité résonante propres être alimentés en signaux et agencés de manière à ce que la cavité résonante émette 25 un rayonnement électromagnétique à travers ladite extrémité ouverte, - au moins une couche de matériau diélectrique remplissant au moins partiellement ladite cavité résonante pour fermer l'extrémité ouverte de la cavité résonante et rendre ladite cavité étanche vis-à-vis du milieu sous-marin, ladite couche étant apte à résister à la pression en milieu sous-marin et à laisser passer ledit rayonnement électromagnétique. Selon l'invention, l'antenne génère un rayonnement radiofréquence à partir d'une cavité résonante ouverte à l'une de ses extrémités et excitée par des moyens d'excitation, l'intérieur de la cavité résonante étant isolé du milieu sous-marin par au moins une couche de matériau diélectrique remplissant la cavité au niveau de son extrémité ouverte. La couche de matériau diélectrique remplit partiellement ou totalement la cavité résonante.

Selon un mode de réalisation particulier, la fréquence d'opération est comprise dans la bande de fréquences [10 MHz - 10 GHz], située de préférence autour de 2,4 GHz de manière à être compatible avec les fréquences ISM et notamment le standard de communication Wi-Fi IEEE 802.11g ou ses évolutions ultérieures situées dans ces mêmes bandes de fréquence ISM. Selon un mode de réalisation particulier, le tube conducteur est de forme générale cylindrique de manière à former une antenne à ouverture circulaire, et le rayon du tube conducteur et/ou la permittivité relative du matériau diélectrique sont déterminés pour fixer la fréquence nominale du rayonnement.

Deux optiques sont en effet possibles pour choisir le rayon du tube et la valeur de permittivité du matériau diélectrique : si on utilise la couche de matériau diélectrique comme un simple couvercle d'étanchéité pour la cavité, alors ses caractéristiques de permittivité et ses dimensions sont choisies pour ne pas trop perturber la fréquence tout en résistant aux pressions; on peut aussi utiliser la couche de matériau diélectrique pour réduire les dimensions générales de l'antenne; dans ce cas, la valeur de permittivité de la couche de matériau diélectrique et le rayon de la cavité sont déterminés pour fixer la fréquence du rayonnement électromagnétique. D'autres formes de tube sont possibles, telles que des tubes à section droite elliptique, carré, rectangulaire ou plus généralement polygonale. Selon un mode de réalisation particulier, le tube conducteur présentant un axe de symétrie longitudinale, les moyens d'excitation de la cavité résonante sont disposés sur ledit axe de symétrie longitudinal du tube conducteur de manière à exciter la cavité par un mode de cavité à symétrie azimutale. Le mode de cavité à symétrie azimutale est par exemple apparenté au mode TP1010 d'une cavité métallique.

Selon un mode de réalisation particulier, les moyens d'excitation de la cavité résonante comportent une sonde connectée par l'une de ses extrémités, dite première extrémité, à un câble d'alimentation en signal via un orifice dans la paroi de la cavité résonante.

L'orifice est avantageusement ménagé sensiblement au centre de la paroi de l'extrémité fermée du tube conducteur de sorte que la sonde est sensiblement positionnée sur l'axe de symétrie du tube conducteur.

Selon un mode de réalisation particulier, la sonde présente, à une deuxième extrémité correspondant à l'extrémité libre de la sonde, un élément dit de transition ayant par exemple une forme générale de triangle inversé dont le sommet est connecté à la dite deuxième extrémité. En variante, l'élément de transition présente une forme générale planaire polygonale (trapèze, rame, ellipse, etc) ou volumique par rotation de ces formes planaires autour de l'axe de la cavité (par exemple, tronc de cône).

Selon un autre mode de réalisation particulier, la sonde est un élément résonant couplé à la cavité. Sa longueur à l'intérieur de la cavité est alors comparable avec celle d'un monopôle (quart d'onde) perturbé par la cavité.

Dans le mode de réalisation de base, l'antenne comporte une couche de matériau diélectrique unique remplissant partiellement ou totalement la cavité résonante. Selon un mode de réalisation particulier, l'antenne comporte une pluralité de couches en matériau diélectrique dans le tube. Elle comporte au moins des première et deuxième couches superposées en matériau diélectrique remplissant au moins partiellement ladite cavité résonante, le matériau diélectrique de ladite première couche étant différent de celui de ladite deuxième couche. L'invention concerne également un dispositif radiofréquence apte à émettre un rayonnement électromagnétique à travers un milieu de propagation sous-marin, comportant une antenne raccordée à un modem, caractérisé en ce que l'antenne est tel que défini précédemment. D'autres avantages pourront encore apparaître à l'homme 10 du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées, donnés à titre illustratif. Brève description des figures La figure 1 représente une vue schématique en 15 perspective d'une antenne selon un premier mode de réalisation de l'invention; La figure 2 représente une vue en coupe de l'antenne de la figure 1 selon la section II-II; La figure 3 représente une vue schématique de 20 deux équipements munis d'antennes conformes à la figure 1 en condition de fonctionnement; et - La figure 4 représente une vue schématique en coupe d'un deuxième exemple de réalisation de l'invention. 25 Description détaillée de l'invention L'invention sera plus particulièrement décrite dans le cadre d'une antenne à cavité résonante à ouverture circulaire dans laquelle la cavité résonante est excitée par un mode résonant dont les champs ne dépendent que de la position radiale considérée (et pas de l'azimut ni de la hauteur), qui s'apparente au mode transverse magnétique TM010 connu pour une cavité métallique cylindrique vide fermée. Dans la suite de la description, on désignera ce mode résonant comme étant le mode TM010 compte tenu de la proximité entre la configuration de ses champs électromagnétiques et ceux du mode TM010 pour une cavité métallique vide fermée. Cette proximité est d'autant plus évidente que la conductivité de l'eau de mer considérée est élevée. En référence aux figures 1 et 2, l'antenne radiofréquence sous-marine comprend un tube 1 creux en matériau conducteur ayant une extrémité ouverte 10 et une extrémité fermée 11. Ce tube, réalisé par exemple en métal inoxydable, est destiné à former une cavité résonante. Le tube 1 est de forme générale cylindrique et présente un axe de symétrie longitudinal X. Des moyens d'excitation sont disposés dans la cavité résonante pour l'exciter. Les moyens d'excitation comprennent une sonde 2 dont une extrémité 20 est connectée à un câble 3 d'alimentation en signaux. Ce câble est par exemple un câble coaxial. L'âme du câble coaxial est alors connectée à la sonde.

La sonde 2 est alimentée en signaux par le câble 3 et est positionnée au centre de la paroi de l'extrémité fermée 11 du tube de manière à ce que la cavité résonante émette un rayonnement électromagnétique à travers l'extrémité ouverte 10. Un perçage est réalisé dans la paroi de l'extrémité fermée 11 pour permettre le passage du câble 3 ou d'une transition cable/sonde. L'autre extrémité 21 de la sonde 2 est munie d'un élément dit de transition 22 ayant la forme d'un triangle inversé dont le sommet est connecté à l'extrémité 21. Cet élément de transition a pour rôle d'optimiser l'excitation de la cavité. Le tube 1 est partiellement rempli par une couche 4 de matériau diélectrique de façon à fermer l'extrémité ouverte 10 de la cavité résonante et la rendre étanche vis-à-vis du milieu sous-marin. Pour le reste, le tube est rempli d'air. La couche 4 est choisie pour résister à la pression en milieu sous-marin, cette pression dépendant bien évidemment de la profondeur à laquelle l'antenne est utilisée. La couche 4 a également été choisie pour ne pas réduire le rayonnement de la cavité. Sa hauteur, son matériau constitutif et la forme de ses interfaces avec l'intérieur et l'extérieur de la cavité peuvent être modifiés pour obtenir des propriétés de focalisation spécifiques du rayonnement ou faciliter 1"adaptation de l'antenne. Le matériau diélectrique est par exemple du PVC, du PEHD, du polypropylène ou du verre. Un joint d'étanchéité 5 annulaire est avantageusement disposé dans la cavité, au niveau de l'extrémité ouverte 10 du tube, pour réduire le risque de défaut d'étanchéité de la cavité vis-à-vis du milieu de propagation. Dans ce mode TMolor plus la permittivité du matériau diélectrique est élevée, plus il est possible de réduire le rayon de la cavité lorsque le matériau diélectrique remplit complètement la cavité. Cette antenne, de forme générale cylindrique, présente une ouverture circulaire et rayonne à travers cette 10 ouverture. Selon l'invention, les éléments constitutifs de l'antenne sont positionnés et dimensionnés pour que le rayonnement électromagnétique émis par l'antenne ait une fréquence peu sensible à la variabilité des 15 conditions de mer. Le choix du mode TM010 impose une fréquence de résonance qui dépende essentiellement du rayon de la cavité, donc peu des conditions de salinité à l'extrémité ouverte. Selon un mode de réalisation préféré, l'antenne est 20 conçue pour dans la bande ISM des 2,4 GHz. Si le matériau diélectrique remplit très majoritairement la cavité, le rayon du tube 1 et la permittivité relative du matériau diélectrique sont alors déterminés pour fixer la fréquence nominale du rayonnement à cette 25 fréquence d'opération. Une telle antenne rayonnant à 2,46 GHz et fonctionnant selon le mode TM010 a été réalisée, ladite antenne ayant les caractéristiques suivantes: - tube cylindrique en métal traité inoxydable; - couche diélectrique en PVC de permittivité Er=3; - sonde centrée sur l'axe de symétrie du tube; - rayon de la cavité: 47,03 mm; - hauteur de la cavité: 200 mm; - épaisseur de la couche diélectrique: 40 mm; - élément de transition triangulaire; - largeur du triangle: 25,97 mm; - hauteur du triangle: 5,17 mm; et - longueur de la sonde entre le câble coaxial et la transition triangulaire: 4 mm. La position de la sonde (centrée ou décentrée par rapport à l'axe du tube), sa longueur (distance de la transition par rapport à l'extrémité fermée), la forme (triangulaire, conique, annulaire,...) et les dimensions de l'élément de transition peuvent varier et sont définis pour exciter de façon optimale l'onde électromagnétique à la fréquence d'opération visée, tout en permettant d'optimiser les propriétés choisies pour l'antenne : gain ou facteur d'antenne, polarisation, focalisation plus ou moins importante du rayonnement, bande passante. Dans l'exemple des figures 1 et 2, la forme cylindrique du tube et l'utilisation d'une sonde planaire centrée sur l'axe de symétrie du tube avec une transition de forme triangulaire permet d'exciter la cavité avec un mode résonnant invariant en azimut, par exemple le mode TMolo - Cela évite alors toute contrainte angulaire de positionnement dans le plan orthogonal à l'axe de symétrie du tube lors d'une transmission entre deux antennes de ce même type (invariance de polarisation en azimut). On peut exciter la cavité résonante avec un mode résonnant sans symétrie radiale en changeant la position de la sonde et la forme de la transition pour, en contrepartie, améliorer différentes caractéristiques de l'antenne (gain ou le facteur d'antenne, bande passante, etc.). Dans ce mode de réalisation, il conviendra éventuellement de rajouter un mécanisme de polarisation circulaire pour conserver l'absence de contrainte de positionnement angulaire.

Le positionnement de la sonde dans le tube et la forme de son élément de transition peuvent aussi être modifiés de façon à exciter partiellement plusieurs modes résonnants contigus dont le couplage dépend de la fréquence d'opération, et cela afin de régler la bande passante de l'antenne. Par exemple l'utilisation d'une sonde elle-même résonante pourra, par un couplage avec la cavité rayonnante, augmenter naturellement la bande passante. Par exemple une sonde en forme de cône tronqué dont la base élargie est située du côté de l'ouverture de la cavité et dont la longueur est proche de celle d'un monopôle quart d'onde à la fréquence centrale d'opération permettra une telle réalisation. La cavité et la sonde étant toutes deux en résonance sur des fréquences très proches de la fréquence centrale d'opération choisie, leur couplage mutuel entrainera un élargissement de la bande passante suivant un comportement habituel des résonateurs couplés. D'autres formes de transition ont été favorablement testées. Une transition ayant une forme générale de rame a permis d'élargir la bande passante de l'antenne par rapport à la forme triangulaire. Des transitions de forme générale tronconique ont également été favorablement testées.

On peut aussi envisager d'utiliser plusieurs sondes pour exciter plusieurs modes résonnants de la cavité. Dans ce cas, les perçages (ou orifices) nécessaires au raccordement des sondes peuvent alors être réalisés dans la paroi périphérique du tube. Par exemple une sonde en forme de boucle convenablement dimensionnée et située dans le plan de section droite à l'intérieur de la cavité permet d'exciter le mode TM010 par couplage magnétique, tandis que la sonde triangulaire située au centre de la cavité favorise son couplage électrique.

La fréquence d'opération de cette antenne est par construction très peu sensible à la variabilité des conditions des environnements sous-marins (pression, salinité, température, turbidité...), parce que c'est la cavité résonante tubulaire qui fixe cette fréquence d'opération et que seule son ouverture rayonnante est en contact avec ce milieu de propagation. Ainsi le fonctionnement en eau douce ou en eau salée ne change significativement que la portée possible pour une antenne à cavité cylindrique excitée selon le mode TMom, ladite portée étant fonction de l'atténuation naturelle des ondes radio dans ces différents milieux. La figure 3 montre un schéma simplifié de deux équipements sous-marins distants échangeant des données par radio. Ils sont chacun équipés d'une antenne 31 telle que définie précédemment raccordée, directement ou par un câble 33, à un modem 32. Les antennes sont alignées de sorte que leurs axes longitudinaux X se confondent. L'utilisation d'un mode résonnant à symétrie azimutale permet d'obtenir une transmission qui tolère un désalignement ou une instabilité entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice. Le modem est par exemple un modem radio conforme au standard de communication Wi-Fi IEEE 802.11g. On peut alors obtenir des débits allant jusqu'à 54 Mbit/s. Les premières mesures sur un prototype ont montré une bande passante d'environ 70 MHz autour de la fréquence 2,4 GHz et une portée comprise entre 10 et 15 cm en eau de mer standard à température ambiante et jusqu'à 25 cm en eau douce à température ambiante. La limitation de la portée provient essentiellement de la forte atténuation des ondes radio dans le milieu de propagation aux fréquences utilisées (2,4 GHz). Le mode de réalisation illustré aux figures 1 et 2 présente une antenne comprenant un tube 1 de forme générale cylindrique remplie partiellement d'une couche 4 de matériau diélectrique. En variante, le tube 1 peut comprendre une pluralité de couches diélectriques superposées comme illustré à la figure 4, lesdites couches ayant des permittivités différentes. Cela permet par exemple d'utiliser un matériau hydrophobe pour la couche diélectrique supérieure et un matériau non nécessairement hydrophobe pour les couches inférieures et cela afin de réduire au maximum les coûts de fabrication de l'antenne tout en optimisant certaines propriétés électriques de l'antenne (adaptation, bande passante, focalisation du rayonnement) ou mécanique (résistance à la pression). Les modes de réalisation décrits ci-dessus ont été donnés à titre d'exemple. Il est évident pour l'homme de l'art qu'ils peuvent être modifiés, notamment quant à la forme de la cavité, de la sonde et de la permittivité de la couche diélectrique. Par ailleurs, il est bien entendu que l'antenne décrite ici peut communiquer avec une antenne hertzienne standard fonctionnant sur la même fréquence. Elle pourrait par exemple communiquer avec une antenne standard située à l'intérieur d'un engin sous-marin dont la paroi est aménagée pour laisser passer le rayonnement électromagnétique (par exemple un hublot).

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Antenne radiofréquence sous-marine apte à rayonner dans un milieu de propagation sous-marin, caractérisé en ce qu'elle comporte un tube (1) conducteur creux formant une cavité résonante, ledit tube conducteur ayant une extrémité ouverte et une extrémité fermée, - des moyens d'excitation (2) de ladite cavité résonante propres à être alimentés en signaux et agencés de manière à ce que la cavité résonante émette un rayonnement électromagnétique à travers ladite extrémité ouverte, au moins une couche (4) de matériau diélectrique remplissant au moins partiellement ladite cavité résonante pour fermer l'extrémité ouverte de la cavité résonante et rendre ladite cavité étanche vis-à-vis du milieu sous-marin, ladite couche étant apte à résister à la pression en milieu sous-marin et à laisser passer ledit rayonnement électromagnétique.
2. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la fréquence d'opération est comprise dans la bande de fréquences [10 MHz GHz - 10 GHz], de préférence autour de 2,4 GHz.
3. 3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le tube (1) conducteur est de forme générale cylindrique de manière à former une antenne à ouverture circulaire, le rayon du tube conducteur et/ou la permittivité relative du matériau diélectrique étantdéterminés pour fixer la fréquence nominale du rayonnement électromagnétique.
4. 4. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le tube (1) conducteur présente un axe de symétrie longitudinale (X) et en ce que les moyens d'excitation (2) de la cavité résonante sont disposés sur ledit axe de symétrie longitudinal du tube conducteur de manière à exciter la cavité par un mode de cavité à symétrie azimutale.
5. 5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que le mode de cavité à symétrie azimutale est le mode TM010.
6. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'excitation de la cavité résonante comportent une sonde (2) connectée par l'une de ses extrémités, dite première extrémité (20), à un câble d'alimentation (3) en signal via un orifice dans la paroi de la cavité résonante.
7. 7. Antenne selon la revendication 6, elle-même dépendante de la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que ledit orifice est ménagé sensiblement au centre de la paroi de l'extrémité fermée du tube conducteur de sorte que la sonde (2) est sensiblement positionnée sur l'axe de symétrie (X) du tube conducteur.
8. 8. Antenne selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que la sonde présente, à une deuxième extrémité (21), un élément (22) dit de transition ayant une forme générale de triangle inversé dont le sommet est connecté à la dite deuxième extrémité.
9. 9. Antenne selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que la sonde est un élément résonant couplé à la cavité.
10. 10. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins des première et deuxième couches superposées en matériau diélectrique remplissant au moins partiellement ladite cavité résonante, le matériau diélectrique de ladite première couche étant différent du matériau électrique de ladite deuxième couche.
11. 11. Dispositif radiofréquence apte à émettre un rayonnement électromagnétique à travers un milieu de propagation sous-marin, comportant une antenne raccordée à un modem, caractérisé en ce que l'antenne est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 10.25