FR3015786A1

FR3015786A1 - Antenne marine compacte a diversite ajustable

Info

Publication number: FR3015786A1
Application number: FR1303064A
Authority: FR
Inventors: Serge Hethuin; Thomas Aubourg
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2015-06-26
Anticipated expiration: 2033-12-23
Also published as: WO2015097130A1; FR3015786B1

Abstract

L'invention concerne une antenne compacte à diversité ajustable pour la communication entre un premier nœud équipé d'une première antenne B et un deuxième nœud équipé d'une deuxième antenne compacte A, le deuxième nœud étant situé à une distance D du premier nœud caractérisée en ce que l'antenne compacte comporte au moins les éléments suivants : • un mât sur lequel sont disposés au moins un premier bloc antennaire et un deuxième bloc antennaire situés à une distance A réglable en fonction des paramètres D, hauteur H1 de la première antenne, hauteur H2 de la deuxième antenne, • le premier bloc antennaire est constitué de plusieurs éléments antennaires disposés les uns par rapport aux autres selon une forme en colimaçon, • le deuxième bloc antennaire est constitué de plusieurs éléments antennaires disposés les uns par rapport aux autres selon une forme de colimaçon, • des moyens de réglage de la distance Δ.

Description

ANTENNE MARINE COMPACTE A DIVERSITE AJUSTABLE L'objet de l'invention concerne une antenne compacte à diversité ajustable destinée principalement à une utilisation marine. L'invention peut aussi s'appliquer dans tout système de communication où l'une des antennes est disposée sur un porteur mobile naviguant et pour lequel il y a un risque de voir apparaître des trajets réfléchis sur une surface liquide, tel qu'un lac, une rivière, la mer, etc.

Dans le domaine des dispositifs de traitement de diversité l'une des particularités est que la diversité est verticale, notamment lorsqu'elle est appliquée dans le secteur maritime. Les fréquences considérées comprennent généralement les bandes à [2.3-2.4 GHz], [2.5-2.7 GHz], [3.43.6 GHz], de la norme LTE (Long Terme Evolution) 4G.

La figure 1 schématise la configuration d'un trajet réfléchi Tr sur la mer M. Les trajets réfléchis sur la mer peuvent s'opposer au trajet principal Td. Les paramètres les plus caractéristiques sont la hauteur H1 de l'antenne A (prise par rapport au niveau Nm de la mer) du noeud distant 10 ou navire, la hauteur H2 de l'antenne B (prise par rapport au niveau Nm de la mer) du noeud local 11 station terrestre, par exemple, la distance D entre le noeud distant et le noeud local, la fréquence F utilisée. Lorsqu'un trajet réfléchi Tr arrive en opposition de phase du trajet direct Td, on observe une perte sensible de signal reçu. Pour contrer cela une solution consiste à utiliser une diversité verticale. L'un des problèmes posé est de disposer d'une antenne multisectorielle compacte ayant un gain significatif et permettant une diversité verticale ajustable selon des paramètres physiques liés à la transmission, ces paramètres dépendent notamment de la distance entre les antennes dialoguant, de la hauteur des antennes par rapport à un niveau de référence et de la longueur d'onde. Les antennes connues du demandeur présentent notamment comme inconvénient de ne pas offrir à la fois, de la compacité et un gain significatif, et/ou de disposer d'un espacement fixe pour diversité verticale qui ne permet pas d'ajustement dynamique. Il existe à l'heure actuelle un besoin de disposer d'un système antennaire compact ayant un gain significatif et permettant la réalisation de la diversité verticale, la compacité de l'antenne visant principalement à réduire le diamètre de l'ensemble. Le système antennaire ou antenne selon l'invention repose notamment sur la disposition de plusieurs éléments antennaires le long d'un axe d'antenne, les éléments antennaires étant disposés selon une spirale, ou de manière hélicoïdale tournant autour d'un mât, avec une disposition des éléments adaptée à éviter les interférences entre elles, rendant possible l'augmentation du gain de l'antenne. L'invention concerne une antenne compacte à diversité ajustable pour la communication entre un premier dispositif équipé d'une première antenne B et un deuxième dispositif équipé d'une deuxième antenne compacte A, le deuxième dispositif étant situé à une distance D du premier dispositif, la communication entre les deux dispositifs pouvant engendrer des trajets réfléchis sur la surface d'un milieu liquide caractérisée en ce que l'antenne compacte comporte au moins les éléments suivants : - un mât sur lequel sont disposés au moins un premier bloc antennaire Al et un deuxième bloc antennaire A2 situés à une distance A l'un de l'autre, la distance étant réglable en fonction du paramètre distance D, de la hauteur H1 de la première antenne, de la hauteur H2 de la deuxième antenne, prises par rapport à un niveau de référence, - le premier bloc antennaire Al est constitué d'au moins deux éléments antennaires disposés respectivement sur un premier support correspondant à un niveau et un deuxième support, situés l'un au-dessus de l'autre, et disposés autour du mât de l'antenne, les éléments antennaires P11, P12, P13, P14 du premier support étant décalés d'un angle a donné par rapport aux éléments antennaires P21, P22, P23, P24 du deuxième support, - le deuxième bloc antennaire A2 est constitué d'au moins deux éléments antennaires disposés respectivement sur un premier support et un deuxième support, situés l'un au-dessus de l'autre, et disposés autour du mât de l'antenne, les éléments antennaires P31, P32, P33, P34, du premier support étant décalés d'un angle pi donné par rapport aux éléments antennaires (P41, P42, P43, P44) du deuxième support, - des moyens de réglage de la distance A.

Le premier bloc antennaire Al et/ou le deuxième bloc antennaire A2 comporte, par exemple, chacun 5 niveaux N1, N2, N3, Na, ou support d'éléments antennaires, chaque niveau comprenant 4 éléments antennaires P1, P2, P3, P4 disposés à 90° les uns des autres et formant une structure à 20 secteurs.

Un bloc antennaire Al est, par exemple, composé d'un premier support comprenant 4 parties planes recevant chacune une antenne patch P11, P12, P13, P14 et d'un deuxième support comprenant 4 parties planes recevant chacune une antenne patch, le deuxième support étant orienté à 45° par rapport au deuxième support.

Le mât central peut être composé d'une plaque à sa base et d'un système de cannelures C pour un blocage en rotation, et le support des éléments antennaires est une pièce adaptatrice de forme circulaire et comprenant un nombre I de parties planes égal au nombre d'éléments antennaires associé à un support.

Les moyens de réglage de la distance A sont constitués, par exemple, d'un vérin à double effet. Dans des applications où la communication est effectuée entre deux navires, l'antenne peut être équipée de moyens de pilotage dynamique du vérin à double effet, suite à la réception des paramètres suivants : la position des navires, la hauteur des antennes équipant les navires.

L'invention concerne aussi un système antennaire dans lequel l'antenne présentant au moins l'un des caractéristiques précitées est disposée sur un dispositif mobile, le système comportant aussi un radôme ayant une forme adaptée pour diminuer les phénomènes de friction lors du déplacement du dispositif équipé de l'antenne. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent : - la figure 1, une représentation de la configuration d'un trajet réfléchi sur la mer, - la figure 2, schématise un ensemble de patchs antennaires et un support, - la figure 3, un exemple de principe de montage, - la figure 4, un exemple de mât d'antenne, - la figure 5, un exemple de fixation d'une facette, - la figure 6, un moyen de blocage, - la figure 7, un exemple d'antenne comprenant 4 facettes par étage, - la figure 8, une vue d'ensemble de deux blocs antennaires séparé d'une distance ajustable, - la figure 9, une représentation dans le cas d'un bloc antennaire à 2 patchs, et - la figure 10, une vue de dessus d'une antenne composée de 20 éléments répartis sur 5 niveaux. La description qui suit est donnée dans le cas d'une antenne marine compacte avec un gain significatif obtenu notamment grâce à l'utilisation d'une structure d'antenne comprenant plusieurs éléments 30 antennaires, ou facettes, les facettes étant disposées selon un schéma hélicoïdal et les facettes étant disposées les unes par rapport aux autres afin d'éviter les interférences entre elles et obtenir un gain significatif. La figure 2 schématise une pièce 25 comprenant 4 facettes 21, 22, 23, 24 par plan vertical ou niveau destinées à recevoir chacune, par exemple, une antenne patch P1, P2, P3, P4. Une telle solution permet de diminuer la hauteur totale de l'antenne et équilibre la structure mécanique en répartissant les poids et efforts. Cette pièce va constituer un support pour les éléments antennaires, comme il va être décrit ci-après. La figure 3 représente un exemple d'assemblage de plusieurs 10 éléments blocs de la figure 2 sur un mât antennaire 32. Comme indiqué sur la figure 2, la pièce 25 permet de fixer de manière rigide, les facettes 21, 22, 23, 24 d'un même plan, ceci de façon à obtenir un équilibrage des masses. Dans cet exemple, le principe d'assemblage de l'antenne repose sur un système d'emboîtement de chaque pièce par le haut. La pièce maitresse de 15 l'ensemble est un mât central 32 composé d'une plaque 31 à sa base permettant un appui plan aux pièces insérées, deux supports d'éléments antennaires 33, 34, d'une pièce de serrage 35. Le mât possède par exemple un système de cannelures C pour le blocage en rotation sur Z comme il sera explicité à la figure 6. Le serrage s'effectue par le haut grâce à la plaque de 20 blocage 35. Pour effectuer ce serrage au mieux un jeu est inséré entre le mât 32, la plaque de maintien et la dernière pièce de l'ensemble antennaire. La figure 4 schématise un exemple de structure pour les éléments antennaires se présentant sous la forme d'un mât 40, 32 (figure 3). La forme et les dimensions de cette structure sont notamment adaptés à : 25 - faciliter la réalisation, la production et le montage des éléments antennaires, - permettre la modularité, - obtenir le maintien de la pièce isostatique, translations et rotations selon les axes X, Y, Z avec par exemple un jeu maximum de 1° et une 30 résistance aux chocs et aux vibrations en milieu maritime.

La structure a une forme circulaire, permettant un rayonnement sur 360° en intégrant des éléments antennaires patchs. Sur la figure 4, la structure comporte 8 emplacements 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, permettant un emboîtement de chaque élément antennaire sur la hauteur, de 45° d'écart pour une antenne à 8 patchs. Les flèches à double sens F1, F2 représentent l'orientation des éléments rayonnants. Les éléments antennaires étant de forme plane, rectangulaire dans la majorité des cas, une pièce adaptatrice entre la forme circulaire du support 40 et un patch est nécessaire. La figure 5 schématise un exemple de pièce adaptatrice 50, adaptée aussi aux contraintes mécaniques d'un milieu maritime, c'est-à-dire aux vibrations liées à la motorisation et aux frottements sur l'eau, ainsi que les chocs liés aux vagues. La propagation de ces contraintes doit être minimisée au maximum pour éviter des dommages sur les éléments rayonnants. La structure de cette pièce, sa forme, sa géométrie, intègre un système de maintien alliant efficacité et modularité. Le blocage en translation sur l'axe Z s'effectue avec un appui plan sur la base. Le blocage en translation et en rotation X et Y s'effectue avec une liaison pivot-glissant grâce au passage du mât au centre de la pièce. Enfin le blocage en rotation sur Z s'effectue avec des cannelures 61 à flancs 62 en développante, figure 6. L'avantage d'un tel système est la présence d'un faible jeu entre la cannelure du mât et la gorge du support ainsi qu'un centrage précis pour un coût faible. La présence de 8 dentures 63 permet à la pièce d'être positionnée sur différentes positions orientées de 45°. Le nombre, la forme des dentures et des cannelures sont identiques à la géométrie interne du support 40. La figure 7 est un exemple de montage pour une antenne comprenant 4 facettes par étage. Sur la figure on a représenté en partant du bas, un premier support 51 monté sur le mât 50 de l'antenne, le premier support comprenant 4 faces plates destinées à recevoir chacune une antenne patch P11, P12, P13, P14 un deuxième élément support 52 décalé de 45° dans cet exemple par rapport au premier élément support situé au- dessus du premier support, le deuxième support comprenant 4 facettes orientées à 45° par rapport au premier support et recevant 4 éléments antennaires patchs P21, P22, P23, P24. Une plaque de serrage 55 maintient l'ensemble.

La figure 8 représente un exemple d'antenne de type multiples entrées multiples sorties ou MIMO, double antenne comportant 8 patchs chacune. Sur la figure 8 on a représenté une antenne A constituée d'un premier bloc antennaire Al et d'un deuxième bloc antennaire A2. Le premier bloc antennaire Al comprend une structure telle que celle décrite à la figure 7, avec un premier support 81 constitué de 4 facettes 211, 212, 213, 214, (exemple sur la figure 2) recevant 4 antennes patchs P11, P12, P13, P14, un deuxième support 82 constitué de 4 facettes 221, 222, 223, 224 recevant 4 éléments antennaires patchs P21, P22, P23, P24, l'ensemble étant positionné sur le mât 90 de l'antenne et sur une base 91 d'antenne comprenant des moyens de connexion 92, 93 vers un commutateur 94, et un module radio 95, par exemple. Un moyen de réglage V permet de faire varier la distance A. Une plaque de serrage 85 maintient l'ensemble. Le deuxième bloc antennaire A2 présente une structure identique à celle du premier bloc antennaire et est disposée au-dessus de la première antenne Al à une distance A. Le deuxième bloc A2 comporte un premier support 83 constitué de 4 facettes recevant 4 antennes patchs P31, P32, P33, P34, un deuxième support 84 constitué de 4 facettes recevant 4 éléments antennaires patchs P41, P42, P43, P44.

L'alimentation des patchs antennaires est réalisée de manière connue de l'homme du métier au moyen de câbles qui passent à l'intérieur du mât de l'antenne, non représenté sur la figure pour des raisons de simplification. Afin de limiter des effets de fatigue des câbles pouvant résulter du déplacement d'un bloc antennaire le long du mât lorsque l'on règle la distance entre deux blocs antennaires, il est possible d'utiliser une matrice de commutation intégrée ou un commutateur intégré menant à un câble unique par bloc d'antenne. Ainsi, lorsque le vérin est activé, seul le câble du bloc supérieur est soumis à une contrainte de changement de forme. Etant seul, il est donc possible de faciliter le mouvement de ce câble et de limiter les contraintes exercées dessus.

Dans l'exemple donné, un vérin dit à double effet permet de faire varier la distance A entre le bas de la deuxième antenne et la partie supérieure de la première antenne. Le vérin possède un temps de réponse faible et une meilleure précision qu'un vérin simple effet qui demande un ressort ou une aide extérieure pour se replier. En associant ce vérin à une servovalve, non représentée sur la figure, le système peut être géré de l'extérieur pour modifier la hauteur de la partie haute de l'antenne. Cette servovalve est par exemple couplée à une petite centrale pneumatique à sa base et pilotée, par exemple, par ordinateur permettant ainsi une modification en temps discret et en temps réel de la hauteur de l'antenne.

La commande du vérin se fait, par exemple, par un calculateur extérieur, dans la radio ou à l'extérieur de la radio équipant les dispositifs. Cette commande dépend notamment de la distance D entre le noeud distant ou navire équipé de l'antenne compacte et le noeud local, station terrestre équipée d'une antenne ou autre navire, de la hauteur de l'antenne H1, H2 par rapport à la mer sur chacun des noeuds et de la fréquence considérée. En fonction de ces informations, la commande est élaborée de façon à régler l'écartement afin de dé corréler les signaux arrivant sur chaque antenne ou sur chaque élément antennaire. Une possibilité de fonctionnement de l'antenne selon l'invention 25 dans le cas d'une communication entre deux navires comportant chacun une antenne compacte, est le suivant; - on reçoit les informations du bateau distant, sa position géographique GPS, la hauteur de l'antenne par rapport au niveau de la mer (la base de l'antenne par exemple), - on dispose des informations du bateau local, sa position géographique GPS, la hauteur de l'antenne par rapport au niveau de la mer (la base de l'antenne par exemple), et sur la base de la valeur de la fréquence F utilisée pour la communication 5 entre les deux navires, de la distance entre les deux navires, on va déduire la valeur de l'espacement entre les deux éléments antennaires d'une antenne, à appliquer par le calculateur au vérin, ainsi qu'accessoirement la facette des antennes à utiliser localement. L'espacement peut être déduit par tests successifs.

10 La description donnée ci-dessus s'applique sans sortir du cadre de l'invention à une structure antennaire dans laquelle on a 2 facettes ou 2 patchs par plan vertical ou niveau vertical. Un exemple est donné à la figure 9 qui schématise 4 niveaux N1, N2, N3, N4 comprenant chacun 2 facettes ou patchs Pi sur un même plan. Une telle structure permet de diminuer la 15 hauteur totale de l'antenne par rapport à une disposition d'éléments antennaires avec une seule facette par niveau tout en mettant en oeuvre une pièce mécanique qui équilibre les poids et les efforts. Il est aussi possible d'envisager une structure comprenant 20 secteurs répartis sur 360° et sur 5 niveaux, par exemple similaires aux 20 niveaux représentés à la figure 9, chaque niveau N1, N2, N3, N4, N5, figure 10, comprenant 4 patchs P1, P2, P3, P4 décalés de 90° les uns par rapport aux autres. Cette structure à 20 secteurs permet d'obtenir un gain plus important tout en permettant de réduire les couplages entre les facettes d'étages ou de niveaux successifs. La structure en paliers permet de resserrer le diamètre 25 du mât support d'antenne et d'avoir du recouvrement. Sans sortir du cadre de l'invention, la structure antennaire et le vérin seront protégés par un radôme unique profilé dans le cas d'utilisation sur des bateaux très rapides, afin de minimiser les phénomènes de frottements dans l'air.

30 L'antenne antennaire selon l'invention présente notamment les avantages suivant : la disposition des éléments antennaires en colimaçon permet de disposer d'une antenne plus compacte en largeur, par diminution du diamètre, une diversité verticale réglable en fonction des conditions de transmission, la possibilité d'intégrer l'ensemble dans un radôme et surtout avec plus de gain. La possibilité de contrôler dynamiquement l'espacement entre deux antennes permet de s'adapter aux conditions d'évanouissement ou fading par multi trajet soustractifs et à configurer l'ensemble à tout moment pour éviter le trou de fading dans le diagramme de réception.10

Claims

REVENDICATIONS1 - Antenne compacte à diversité ajustable pour la communication entre un premier dispositif équipé d'une première antenne B et un deuxième dispositif 5 équipé d'une deuxième antenne compacte A, le deuxième dispositif étant situé à une distance D du premier dispositif, la communication entre les deux dispositifs pouvant engendrer des trajets réfléchis sur la surface d'un milieu liquide caractérisée en ce que l'antenne compacte A comporte au moins les éléments suivants : 10 - un mât (32, 40, 90) sur lequel sont disposés au moins un premier bloc antennaire Al et un deuxième bloc antennaire A2 situés à une distance A l'un de l'autre, la distance étant réglable en fonction du paramètre distance D de la hauteur H1 de la première antenne, de la hauteur H2 de la deuxième antenne, prises par rapport à un niveau de référence, 15 - le premier bloc antennaire (A1) est constitué d'au moins deux éléments antennaires disposés respectivement sur un premier support (81) correspondant à un niveau Ni et un deuxième support (82), situés l'un au-dessus de l'autre, et disposés autour du mât de l'antenne, les éléments antennaires (P11, P12, P13, P14) du premier support (81) étant 20 décalés d'un angle a donné par rapport aux éléments antennaires (P21, P22, P23, P24) du deuxième support (82), - le deuxième bloc antennaire (A2) est constitué d'au moins deux éléments antennaires disposés respectivement sur un premier support (83) et un deuxième support (84), situés l'un au-dessus de l'autre, et 25 disposés autour du mât de l'antenne, les éléments antennaires (P31, P32, P33, P34) du premier support (83) étant décalés d'un angle p donné par rapport aux éléments antennaires (P41, P42, P43, P44) du deuxième support (84), - des moyens de réglage de la distance A. 30
2 - Antenne compacte selon la revendication 1 caractérisée en ce que le premier bloc antennaire Al et/ou le deuxième bloc antennaire A2 comporte chacun 5 niveaux (N1, N2, N3, N4) ou support d'éléments antennaires, chaque niveau comprenant 4 éléments antennaires (P1, P2, P3, P4) disposés à 90° les uns des autres et formant une structure à 20 secteurs.
3 - Antenne compacte selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un bloc antennaire (A1) est composé d'un premier support comprenant 4 parties planes (211, 221, 231, 241) recevant chacune une antenne patch (P11, P12, P13, P14) et d'un deuxième support comprenant 4 parties planes recevant chacune une antenne patch, le deuxième support étant orienté à 45° par rapport au deuxième support.
4 - Antenne compacte selon la revendication 1 caractérisé en ce que le mât central (32) est composé d'une plaque (31) à sa base et d'un système de cannelures C pour un blocage en rotation, et en ce que le support des éléments antennaires est une pièce adaptatrice (50) de forme circulaire et comprenant un nombre I de parties planes égal au nombre d'éléments antennaires associé à un support.
5 - Antenne compacte selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de réglage de la distance A sont constitués d'un vérin à double effet.
6 - Antenne compacte selon la revendication 5 caractérisée en ce que dans le cas de communication entre deux navires, elle est équipée de moyens de pilotage dynamique du vérin à double effet, suite à la réception des paramètres suivants : la position des navires, la hauteur des antennes équipant les navires.30
7 - Système antennaire comprenant au moins une antenne compacte selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'antenne est disposée sur un dispositif mobile et en ce qu'il comporte un radôme ayant une forme adaptée pour diminuer les phénomènes de friction lors du déplacement du dispositif équipé de l'antenne.