WO2014020016A1 - Dispositif de découplage entre antennes - notamment des antennes patchs montées sur un aéronef - Google Patents

Dispositif de découplage entre antennes - notamment des antennes patchs montées sur un aéronef Download PDF

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patches
substrate
antennas
decoupling
thickness
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Pascal Piau
André DE LUSTRAC
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European Aeronautic Defence And Space Company Eads France
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Definitions

  • the invention relates to the general field of antennas. It relates more particularly to the problem of decoupling between antennas close to each other. It applies in particular, but not exclusively, decoupling antennas patches mounted on the fuselage of an aircraft.
  • Some electromagnetic systems such as airborne radio altimeter systems, consist of two antennas, a transmitting antenna and a receiving antenna, operating in principle in the same frequency band. Consequently, to avoid direct coupling between the two antennas, a coupling which very substantially disturbs the operation of the system, attempts are made to optimize the respective locations of these antennas. This is to try to keep the two antennas as far as possible from each other in order to limit the coupling, while maintaining a compatible distance between the overall operation and the implantation constraints (mechanical constraints, length and routing of the two antennas). cables, accessibility, etc.).
  • the standards in force require spacing the two antennas from each other by a minimum distance of about 70 cm.
  • a known solution for reinforcing the decoupling between two antennas close to each other and operating in the same frequency band is to interpose between the two antennas a device having a high impedance in the band considered.
  • the high-impedance device is a thin planar element consisting of a dielectric substrate, on one side of which are disposed patches of conductive material. the other face is covered by a conductive plane, acting as a ground plane.
  • the dimensions and shapes of the patches and their arrangement is mainly a function of the desired frequency and decoupling.
  • Such a metasurface element or metamaterial-based structure is commonly referred to.
  • the decoupling of two patch antennas can be developed a posteriori by realizing a high impedance device on a separate printed circuit and by arranging this circuit between the two printed circuits constituting the antennas.
  • reinforcing the decoupling of patch antennas disposed on the external surface of the fuselage of an aircraft it is necessary to attempt to use the solution described above, consisting in interposing between the two antennas, in the coupling zone, a printed circuit constituting a high impedance surface.
  • the devices currently developed have a relatively rigid structure that favors their implementation on a surface with curvatures, the outer surface of the fuselage of an aircraft for example, the surface of the device hardly fit the profile of the surface on which it is placed, especially when the device has a large surface.
  • the substrate used to make the printed circuit constituting the high impedance structure has a certain elasticity, it is limited and the maintenance of the surface of the device in close contact with that of the fuselage requires the use of means powerful fasteners disposed at different points of the high impedance device, generally at the periphery of said device and which generally require intervention on the structure itself.
  • An object of the invention is to provide a simple device for improving the decoupling between antennas, in particular in the case of radio equipment using several patch antennas operating in the same frequency band.
  • Another object of the invention is to propose a device that is simple to implement and that can be used both for equipping new aircraft with properly decoupled antennas and for simply remounting aircraft already in service to improve the performance of the aircraft. decoupling antennas already installed on the fuselage.
  • an object of the invention is to propose a solution, both effective and simple to implement, the coupling problems that may exist between two antennas placed close to each other on the surface of a carrier structure that is not necessarily flat, the fuselage of an aircraft for example, this solution being applicable both during the installation of the equipment concerned on the structure in question, and during a maintenance operation to improve the equipment.
  • the subject of the invention is a high-impedance passive device, in particular enabling radio-frequency decoupling between two antennas operating at least partially in a common frequency band disposed on the surface of a carrier structure.
  • the device comprises a substrate consisting of a layer of flexible dielectric material of given thickness e, on the surface of which patches of conducting material are arranged having a given geometry and arrangement, as well as means for ensuring that it is fixed on a mass plane on the surface of the structure, so that the layer formed by the patches is separated from the surface of the structure by the thickness of the substrate; the substrate thickness e, being determined as a function of the geometry, the number and the arrangement of the patches as well as the aerodynamic constraints imposed on the devices, the latter has an impedance producing the desired decoupling in the frequency band considered.
  • the device according to the invention comprises:
  • a substrate of dielectric material of given thickness disposed between the sheet of conductive material and the patches, the thickness, e, of dielectric material between the patches and the surface of the sheet of conductive material facing said patches maintaining the latter; at the desired distance from the latter;
  • the thickness e of the substrate, as well as the geometry, the number and the arrangement of the patches are determined, taking into account the external constraints, so as to obtain the desired decoupling value.
  • the device according to the invention then comprises a ground plane integrated in its own structure and it is fixed to the surface of the carrier structure via this ground plane.
  • the ground plane on which the device according to the invention is fixed is constituted by the structure itself.
  • the device according to the invention can have the following characteristics which can optionally be combined.
  • the dielectric material of the substrate is a flexible material of elastomeric type that can match the shape of the surface of the structure on which the device is mounted.
  • the dielectric material used is polychloroprene.
  • the patches are electrically connected to said sheet of conductive material by conductors, or vias
  • the means for fixing the device to the surface of the structure consist of a layer of adhesive material disposed on the face of the conductive sheet facing the surface of said supporting structure or on the face of the device intended to be fixed to this same surface.
  • the permittivity of the material forming the substrate, the thickness of the substrate, e, separating said patches from the conductive sheet as well as the dimensions of the patches and their arrangement are defined in such a way that the device presents the desired impedance in the frequency band considered, and that its thickness is sufficiently small to minimize the effects of the implementation of the device on the aerodynamic characteristics of the structure.
  • a substrate layer covers the plane of the patches so as to provide mechanical and / or chemical protection of the free surface of the device, in other words the face bearing the patches, and in particular protection against erosion .
  • the external surface of the device is covered with a purely dielectric coating.
  • FIG. 3 illustrates an example of application of the device according to the invention to an aircraft
  • the device according to the invention when placed on a plane, takes the form of a flat element 1 1 having a conductive surface 12 forming a plane of mass, above which are placed pellets, or patches, conductors 13. These patches 13 are preferably placed in the same plane in a preferably regular arrangement, a matrix arrangement as shown in Figure 1 for example.
  • the space between the conductive face and the plane in which the patches are located is embedded in a dielectric substrate 15.
  • the conductive patches 13 are connected to the conductive face 12 via connecting links or vias 14.
  • the conductive patches 13 can be isolated from the conductive face 12. According to the form considered the distance between the conductive face and the plane of the patches is of course different.
  • the size and the implantation pitch of the patches 13, as well as the thickness e of substrate separating the surface of the patches from the conductive surface 12, are moreover determined so that the structure thus formed has a high impedance for the frequency band considered, which band corresponds to the operating band of the antennas 17 and 18 whose decoupling is to be reinforced.
  • the determination of these parameters can be carried out in any known manner, by means of a radio circuit design software for example.
  • the thickness e is nevertheless chosen as low as possible so as to that the installation of the device on this wall does not generate aerodynamic turbulence.
  • the substrate used to produce the high-impedance device according to the invention is advantageously constituted by a flexible material, an elastomeric material, chosen in particular for its dielectric and mechanical characteristics (elasticity, erosion resistance, etc.), a polychloroprene for example.
  • the embodiment of the device according to the invention is then done by integrating on one side of the substrate 15 the conductive patches 13, metal pellets for example, and on the other side the conductive layer 12, a thin sheet of metal for example, then by electrically connecting (placing vias) the patches 13 to the conductive layer 12 through the substrate 15.
  • the electrical connections 14 are made by piercing the substrate 15 at the level of the patches 13 and filling with a brazing metal holes made.
  • the surface of the patches 13 is covered with a coating that limits erosion.
  • This coating may consist of a top layer of elastomeric material, the material constituting the substrate generally, as in the embodiment illustrated in Figure 2. It may also be constituted by a paint layer having the desired dielectric characteristics.
  • the device 1 1 thus produced has the advantage, because of its flexible and elastic structure, that it can be placed on a surface that is not necessarily flat, the support face of the device on said surface, the face that carries the conductive layer 12 generally , which can conform naturally to fit the profile of the considered surface.
  • the attachment of the device and its adjustment on this surface, made by printing a minimum of stresses on the substrate 15, are advantageously facilitated with respect to a device comprising a rigid substrate.
  • the device according to the invention can therefore be placed and held in place, in contact with the surface 19, by any fastening means.
  • the device according to the invention is attached to the surface considered by simple bonding.
  • the structure described above can be advantageously completed by a layer 16 of adhesive material, an acrylic adhesive film for example, covering the laying surface of the device on the structure, that is to say, in the case of the embodiment considered, the face of the substrate 15 which carries the conductive layer 12 generally.
  • FIG. 3 shows an example of application of the device according to the invention for decoupling antennas forming a radio altimeter, which equipment is generally doubled, as illustrated in FIG.
  • the device according to the invention is placed on the zone of the fuselage, 31 or 32, which separates the two antennas 17 and 18 of the radioaltimeter considered.
  • These antennas are, for functional reasons, located under the fuselage, at a place where the wall 19 of the fuselage is generally not flat, so that the flexible, deformable nature of the substrate 15 appears here as particularly advantageous.
  • the device is then held in place by simply gluing it with the adhesive film 16.
  • the thickness of the substrate 15 is determined in such a way that the device 11 has a thickness substantially identical to that of the patch antennas 17 and 18 between which it is placed.
  • the shape and dimensions of the patches 13 are then determined so as to maximize the impedance of the device, given the thickness of the substrate 15 and its dielectric characteristics.
  • the device 1 1 according to the invention may have the following structural and dimensional characteristics:
  • Polychloroprene substrate with a thickness of 3.175 mm and a relative permittivity of 3.5;
  • FIGS. 1 to 3 corresponds to a particular embodiment which has the main advantage of being able to be mounted on any type of conductive support or not.
  • the fact of having a ground plane 12 integrated in the device makes it possible to mount it on any support without the decoupling characteristics are altered.
  • such an embodiment makes it possible to have conductive elements, patches, having an inductive and capacitive impedance, the inductive component of the impedance resulting from the presence of vias connecting each patch 13 to the ground plane 12 constituted by by the sheet of conductive material integrated in the device.
  • An essential characteristic of the invention is here the malleability of the device and its propensity to easily marry the profile of the surface on which it is fixed, so that its attachment itself does not require the implementation of any means that can alter in any way the surface of the structure under consideration, a single layer of adhesive being sufficient.
  • the patches 13 are mounted floating relative to the ground plane 12 constituted by the metal sheet, the vias connecting the patches to the ground plane being then absent from the structure it remains otherwise identical to that of the previous embodiment.
  • ground plane provided by the metal sheet 12 in the first embodiment described can then be provided directly by the support, so that the latter disappears.
  • Such an embodiment is thus particularly suitable for placing on the surface 19 of the fuselage of an aircraft, surface 19 generally made of metal or made of composite materials incorporating a metal protection to meet "electrical" requirements of the type protection against lightning or maintaining electrical continuity.
  • the surface of the aircraft then constitutes the ground plane on which the device is fixed on the structure.
  • the structure of the device is then simply reduced to a surface consisting of patches such as those described above, integrated in the thickness of a substrate layer. Such an embodiment is illustrated in FIG. 5.
  • This embodiment has the advantage of obtaining a very homogeneous device, formed of a substrate layer in which the patches are incorporated, and therefore more resistant to abrasion, without the need for a coating. complementary protection.
  • the device obtained also has the advantage of being easier to fix by means of adhesive on the support considered, insofar as the lower face of the device is constituted by the surface of the substrate directly in contact with the substrate. the adhesive film 16 and not by a metal sheet.
  • Such an embodiment can thus perfectly be used to carry out operations of setting up an additional decoupling element such as that illustrated in FIG.
  • the major advantage of the device according to the invention resides, more generally, in the fact that its implementation on an existing structure to improve the decoupling of two antennas mounted on this structure, close to one of the other, requires practically no intervention on the structure itself or on the antennas concerned.
  • the flexible and monobloc structure of the device advantageously makes it possible to mount it on any support profile, plane or not, the fixing of the device on the support considered can be carried out by simple gluing, by means of an adhesive film by for example, despite the aerodynamic stresses to which the device may be subjected, when it is mounted on the surface of a particular aircraft fuselage.
  • this solution is not limited to complex and fragile structures such as an aircraft fuselage, but can be envisaged. for various structures.

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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 en ce qu'il comporte un substrat (15) constitué d'une couche de matériau diélectrique souple d'épaisseur donnée e, à la surface de laquelle sont disposés des patchs (13) en matériau conducteur présentant une géométrie et une disposition données, ainsi que des moyens (16) pour assurer sa fixation sur un plan de masse à la surface (19) de la structure, de telle façon que la couche formée par les patchs (13) soit séparée de la surface (19) de la structure par l'épaisseur du substrat; l'épaisseur e de substrat, étant déterminée en fonction de la géométrie, du nombre et de la disposition des patchs (13) ainsi que des contraintes aérodynamiques imposées aux dispositif, celui-ci présente une impédance produisant le découplage désiré dans la bande de fréquence considérée.

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 apparaître 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, 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 apparaître du fait d'un couplage parasite, sont détectées par comparaison des mesures délivrées par chacun des systèmes. Une telle solution induit l'obligation pour le constructeur de multiplier les équipements montés sur l'aéronef et par là-même à accroître 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 un accroissement des coûts d'installation et de maintenance.
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.
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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 œuvre, aux problèmes de couplage 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.
A cet effet l'invention a pour objet un dispositif passif à haute impédance, permettant notamment de 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. Selon l'invention, le dispositif comporte un substrat constitué d'une couche de matériau diélectrique souple d'épaisseur donnée e, à la surface de laquelle sont disposés des patchs en matériau conducteur présentant une géométrie et une disposition données, ainsi que des moyens pour assurer sa fixation sur un plan de masse à la surface de la structure, de telle façon que la couche formée par les patchs soit séparée de la surface de la structure par l'épaisseur du substrat; l'épaisseur e de substrat, étant déterminée en fonction de la géométrie, du nombre et de la disposition des patchs ainsi que des contraintes aérodynamiques imposées aux dispositif, celui-ci présente une impédance produisant le découplage désiré dans la bande de fréquence considérée. Dans un mode de réalisation particulier le dispositif 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 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 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 disposition des patchs sont déterminés, en tenant compte des contraintes externes, de façon à obtenir la valeur de découplage désirée.
Le dispositif selon l'invention comporte alors un plan de masse intégré à sa structure propre et il est fixé à la surface de la structure porteuse par l'intermédiaire de ce plan de masse.
Dans un autre mode de réalisation particulier le plan de masse sur lequel le dispositif selon l'invention est fixé est constitué par la structure elle-même.
Suivant des variantes de réalisations diverses le dispositif selon l'invention peut présenter les caractéristiques suivantes qui peuvent 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 dispositif est monté. Selon une caractéristique particulière le matériau diélectrique utilisé est du polychloroprène.
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 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 porteuse ou sur la face du dispositif destinée à être fixée à cette même surface.
Selon une autre forme de réalisation, la permittivité du matériau formant 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 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 et/ou chimique de la surface libre du dispositif, autrement dit la face portant les patchs, et en particulier une protection contre l'érosion.
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 figurel , une illustration d'un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention vu par sa face externe ; - la figure2, une illustration, en coupe selon A-A, du dispositif selon l'invention dans le mode de réalisation de la figure 1 ;
- la figure 3, l'illustration d'un exemple d'application du dispositif selon l'invention sur un aéronef;
- la figure 4, une vue en coupe en coupe selon A-A du dispositif selon l'invention dans un deuxième mode de réalisation;
- la figure 5, une vue en coupe en coupe selon A-A du dispositif selon l'invention dans un troisième mode de réalisation.
Dans la description qui suit, on présente, à titre d'exemples non limitatifs, des modes particuliers de réalisation de l'invention, bien adaptés à réalisation 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 œuvre, 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 pour de tels équipements, en termes d'aérodynamisme notamment, est moindre.
Dans un premier mode de réalisation, illustré par les figures 1 et 2, Le dispositif selon l'invention prend, lorsqu'il est posé sur un plan, la forme d'un élément plat 1 1 présentant une face conductrice 12 formant un plan de masse, au-dessus de laquelle 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 ce mode de réalisation, les patchs conducteurs 13 sont reliés à la face conductrice 12 par l'intermédiaire de liens de connexion 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 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 génère pas de turbulence aérodynamique.
Le substrat utilisé pour réaliser le dispositif à haute impédance selon l'invention est avantageusement constitué par un matériau souple, un matériau élastomère, choisi en particulier pour ses caractéristiques 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 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 dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 2. Il peut également être constitué par une couche de peinture présentant les caractéristiques diélectriques voulues.
Le dispositif 1 1 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 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 16 de matériau adhésif, un film de colle acrylique par exemple, recouvrant la face de pose du dispositif sur la structure, c'est-à-dire, dans le cas du mode de réalisation considéré, 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, déformable, 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 16. 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 1 1 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 1 1 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 contact avec le fuselage ;
- Implantation, sur la face opposée du substrat, d'un réseau matriciel de 15*19 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 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 effectuée par simple collage, représente, dans cet exemple de mise en œuvre 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 fuselage susceptibles de dégrader l'intégrité structurale de la plateforme ni d'entraîner d'opérations de contrôle de cette intégrité. Il n'est pas non plus nécessaire de prévoir de revêtement de protection, de type peinture ou autre, pour limiter les contraintes aérodynamiques qui pourraient être imposées à des formes de structure plus rigides. Cependant pour réaliser une protection mécanique des patchs il est possible par exemple de recouvrir la surface du substrat qui porte les patchs d'une couche de recouvrement constituée du même substrat, de sorte que l'on dispose d'une structure homogène, dans laquelle sont inclus les patchs.
Le mode de réalisation illustré par les figures 1 à 3, correspond à une forme particulière de réalisation qui a pour avantage principal de pouvoir être montée sur tout type de support conducteur ou non. Le fait de disposer d'un plan de masse 12 intégré au dispositif permet en effet de monter ce dernier sur n'importe quel support sans que les caractéristiques de découplage en soient altérées.
Par ailleurs, un tel mode de réalisation permet de disposer d'éléments conducteurs, des patchs, présentant une impédance selfique et capacitive, la composante selfique de l'impédance résultant de la présence de vias 14 reliant chaque patch 13 au plan de masse 12 constitué par la feuille de matériau conducteur intégrée au dispositif.
Cependant il est possible, d'envisager d'autre modes de réalisation, plus simples, qui confèrent néanmoins au dispositif selon l'invention les caractéristiques avantageuses de facilité de montage sur des structures existantes et d'efficacité à la fois en termes de découplage et de perturbations aérodynamiques. Une caractéristique essentielle de l'invention étant ici la malléabilité du dispositif et sa propension à épouser facilement le profil de la surface sur laquelle il est fixé, de sorte que sa fixation proprement dite ne requiert la mise en œuvre d'aucun moyen pouvant altérer d'une façon quelconque la surface de la structure considérée, une simple couche d'adhésif étant suffisante. Ainsi, il est possible, d'envisager un mode de réalisation pour lesquelles les patchs 13 sont montés en flottant par rapport au plan de masse 12 constitué par la feuille métallique, les vias reliant les patchs au plan de masse étant alors absents de la structure, celle-ci restant par ailleurs identique à celle du mode de réalisation précédent.
L'absence de vias reliant les patchs 13 au plan de masse 12 ont pour seul effet que l'impédance du dispositif ainsi obtenu est essentiellement capacitive, le découplage pouvant par ailleurs avoir la même valeur que dans le mode précédent. Une tel mode de réalisation est illustré par la figure 4.
Alternativement il est également possible d'envisager un mode de réalisation, plus particulièrement adapté à la pose sur un support formant lui- même un plan de masse. La fonction « plan de masse » assurée par la feuille métallique 12 dans le premier mode de réalisation décrit peut être alors assurée directement par le support, de sorte que cette dernière disparait.
Un tel mode de réalisation est ainsi particulièrement adapté à une mise en place à la surface 19 du fuselage d'un aéronef, surface 19 généralement métallique ou fabriquée en matériaux composites intégrant une protection métallique pour répondre à des exigences «électriques » du type protection contre la foudre ou encore maintien d'une continuité électrique. La surface de l'aéronef constitue alors le plan de masse sur lequel est fixé le dispositif sur la structure.
La structure du dispositif se résume alors simplement à une surface constituée de patchs tels que ceux décrits précédemment, intégrée dans l'épaisseur d'une couche de substrat. Un tel mode de réalisation est illustré par la figure 5.
Ce mode de réalisation présente l'avantage d'obtenir un dispositif très homogène, formée d'une couche de substrat dans laquelle sont incorporés les patchs, et par suite plus résistant à l'abrasion, sans nécessité de mise en place d'un revêtement de protection complémentaire. Le dispositif obtenu présente par ailleurs l'avantage de d'être plus facile à fixer au moyen d'adhésif sur le support considéré, dans la mesure où, la face inférieure du dispositif est constitué par la surface du substrat directement en contact avec le film adhésif 16 et non par une feuille métallique. Un tel mode de réalisation peut ainsi parfaitement être utilisé pour réaliser des opérations de mise en place d'un élément additionnel de découplage telle que celle illustrée par la figure 3.
Comme cela ressort de la description précédente, 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, à proximité l'une de l'autre, ne requiert pratiquement aucune intervention sur la structure elle-même ni sur les antennes concernées. En outre la structure souple et monobloc du dispositif permet avantageusement de le monter sur n'importe quel profil de support, plan ou non, la fixation du dispositif sur le support considéré pouvant être réalisée par simple collage, au moyen d'un film adhésif par exemple, malgré les contraintes aérodynamiques auxquelles le dispositif peut être soumis, lorsqu'il est monté sur la surface d'un fuselage d'aéronef en particulier.
Le coût et la complexité de mise en œuvre d'une telle solution étant ainsi avantageusement réduits, la mise en œuvre de cette solution n'est pas limitée à des structures complexes et fragiles telles qu'un fuselage d'aéronef, mais peut être envisagée pour des structures diverses.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif passif à haute impédance (1 1 ), pour réaliser un découplage radioélectrique donné 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 un substrat (15) constitué d'une couche de matériau diélectrique souple d'épaisseur donnée e, à la surface de laquelle sont disposés des patchs (13) en matériau conducteur présentant une géométrie et une disposition données, ainsi que des moyens (16) pour assurer sa fixation sur un plan de masse à la surface (19) de la structure, de telle façon que la couche formée par les patchs (13) soit séparée de la surface (19) de la structure porteuse par l'épaisseur du substrat; l'épaisseur e de substrat, étant déterminée en fonction de la géométrie, du nombre et de la disposition des patchs (13) ainsi que des contraintes aérodynamiques imposées aux dispositif, celui-ci présente une impédance produisant le découplage désiré dans la bande de fréquence considérée.
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. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau diélectrique utilisé est du polychloroprène.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le plan de masse sur lequel est fixé ledit dispositif est constitué par la structure porteuse sur laquelle le dispositif est fixé.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le plan de masse sur lequel est fixé ledit dispositif est constitué par une feuille (12) en matériau conducteur, d'épaisseur donnée, placée sur la face du dispositif en contact avec la surface (19) de la structure.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les patchs (13) sont reliés électriquement à ladite feuille (12) en matériau conducteur par des conducteurs (14), ou vias
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 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 du dispositif en contact avec la surface (19) de la structure.
8. 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 libre du dispositif.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa surface externe est recouverte d'un revêtement purement diélectrique.
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