Brevet FR2570546A1 — publié le 19860321

1!2570546 "Antenne multifilaire hélicoidale pour la transmission simultanée de plusieurs signaux d'émission et de réception VHF/UHF. L'invention concerne le domaine des antennes utili- sées dans les communications spatiales et notamment les antennes montées sur les satellites artificiels de télécommunication. La technologie de ces antennes est soumise à deux types essentiels de contraintes; - les contraintes liées à la transmission des si- gnaux radio-électriques: il s'agit notamment de la limitation des registres de fréquence de transmission dans des fenêtres spécifiques, des problèmes de directivité et d'interférences entre les nombreuses émissions artificielles proches, ou encore des problèmes de parasitage par les bruits thermiques des anten- nes et les bruits célestes: - les contraintes liées aux techniques de lancement dans l'espace des satellites de communication: il s'agit alors, particulièrement, des limitations en poids et en volume, de la fiabilité du fonctionnement des appareillages satellisés, et en- core de la capacité à subir des accélérations importantes. Ce second type de contraintes à conduit à développer des dispositifs satellisés d'émission et de réception, suscepti- bles de convenir à plusieurs utilisations différentes, afin de réduire le nombre de ces dispositifs, et donc leur poids et leur volume. Ainsi, les techniques de transmission tendent à éta- blir le plus possible, des liaisons radio-électriques en diplex (transmission simultanée de deux signaux indépendants sur un mê- me canal), ou en multiplex (transmission simultanée de plusieurs signaux sur un même canal). Grâce à ce type de liaison, un seul et même élément d'antenne peut être partagé entre plusieurs appareils d'émission et de réception, ce qui permet de diminuer sensiblement le volume et le poids du satellite, à service rendu égal. La présente invention concerne un tel dispositif de transmission simultanée de signaux radio-électriques d'émission 2. 2570546 et de réception, de fréquences très proches, sur une antenne commune, le dispositif étant utilisable pour des communications en continu. On connait déjà des solutions techniques permettant de réaliser la transmission simultarnée par diplexage ou multiple- xage, de signaux radio-électriques d'émission-réception, de fré- quences très proches, sur une antenne commune. Une telle solution connue est représentée en figure 1. Ce dispositif connu est constitué de filtres passe- bandes11, 12, 13 branchés respectivement en sortie des émetteurs El, E2, E3, et connectés en aval à un mélangeur14 dont la sortie unique achemine le signal résultant vers l'antenne unique 30. Un récepteur R est également connecté à la même antenne 30, à travers un circulateur 31, dont l'objet est d'isoler l'ensemble des canaux d'émission de l'ensemble des canaux de réception. Le récep- teur R est,en outre, muni d'un filtre passe-bande 20. Le circu- lateur 31 peut être remplacé par un duplexeur de polarisation, ou encore supprimé pour certainesutilisations Son rôle est d'amélio- rer l'adaptation du récepteur avec l'antenne 30, et d'assurer une isolation complémentaire de celle réalisée par les filtres passe- bandes, entre les fréquences d'émissionet de réception. De leur côté les filtres passe-bandes assurentla réjection des signaux dont la fréquence n'est pas située à l'intérieur de la bande passante de chacun d'eux. Ce dispositif présente l'inconvénient d'être volumi- neux lors de son utilisation pour des fréquences basses des ganges VHF/UHF. La taille et le poids des filtres et des mélangeurs qui sont alors utilisés, sont relativement importants et constituent un handicap évident à la satellisation; ces éléments volumineux constituent, en outre, une source potentielle d'intermodulation passive. Suivant le nombre de sections, les pertes dans la chatne de multiplexage/diplexage peuvent varier entre Q,5 dB et 1 dB. L'objet de l'invention est en conséquence de fournir un dispositif de transmission en multiplex sur une antenne commune permettant de supprimer l'utilisation d'un mélangeur, et même dans certainscas, l'utilisation des filtres passe-bandes 3. Selon l'invention, le dispositif pour la réception et l'émission simultanées de plusieurs signaux radio- électriques de fréquences proches ou identiques, notamment pour les communication spatiales dans les gammes VHF/UHF, est du type comprenant au moins un appareil émetteur et au moins un appareil récepteur, lesdits appareils émetteur et récepteur étant reliés à une antenne commune unique; ce dispositif se caractérise en ce que l'antenne commune est une antenne multifilaire hélicoïdale, constituée de brins de rayonnement indépendants, enroulés en hélice autour d'un même no- yau, lesdits brins étant décalés angulairement, de manière régu- lière les uns par rapport aux autres, et en ce qu'au moins deux brins de rayonnement de ladite antenne sont connectés chacun en continu à un appareil émetteur ou récepteur distinct. Cette conception de l'antenne commune unique permet d'émettre et/ou de reçevoir plusieurs signaux, dont les fréquences porteuses sont relativement proches les unes des autres mais dif- férentes, avec un nombre minimal d'éléments, puisqu'il n'est plus besoin ni d'un mélangeur, ni même de filtres passe-bandes séparant les différents canaux, dans la mesure o le couplage entre les différents brins de l'antenne est suffisamment faible. Il en résulte dnc un gain de poids et de volume pour l quipaent satellisé. D'autre part, on peut égaleent utiliser plusieurs brins de 1'CAn- tenne diplex pour émettre (ou recevoir) des signaux de mâe frégqence, avec un décalage de phase entre chaqoe fil, selon l'utilisation classique présentée plus loin. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparal- tront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préfé- rentiel, et des dessins annexés dans lesquels: - la Fig. 1 représente un dispositif de l'art connu pour lUémis- sion-réception en diplex sur une antenne cmune, - la Fig. 2 représente les caractéristiques du couplage inter- venant entre les différents brins de l'antenne suivant l'invention, en fonc- tion de la fréquence, - la Fig. 3 représente l'antenne quadrifilaire hélicoïdale suivant 1' invention. L'invention constitue en fait, un nouveau développement de la technologie des antennes hélicoïdales. La résolution du problème posé, à savoir la conception et la réalisatic 4. de dispositis de transmission VHF/UHF fonctionnant en multiplex, a tout d'abord conduit à explorer les différents typesd'antennes VHF/UHF (ondes dont la fréquence est supérieure à 30 M1z). Il est apparu qu'une antenne multifilaire hélicoïdale présente des avantages déterminants pour une application satellisée. Cette découverte a conduit à adapter ce type d'anten- ne aux dispositifs de transmission en multiplex, alors qu'il était jusque là étudié avec une source d'excitation unique, sous le seul angled'une extension des antennes hélicoïdales unifilaires. Des essais ont permis au déposant, enfin, de vérifier que l'invention présente une réelle effi- cacité, conjointeent aux avantages requis pour la satellisation. Les antennes utilisées le plus souvent en communication spatiale. sont les antennes à réflecteur, du type à source fron- tale ou Cassegrain par exemple. Ce type d'antenne est utilisé dans le domaine des hyperfréquences (ondes> 1GHz). Pour les bandes VHF/UHF il existe plusieurs types d'an- tennes, assez différents les uns des autres. On utilise couramment les antennes ddipoles sous forme d'éléments superposés, et notam- ment les dipoles chemisés demi-ondes en superposition verticale. Ces antennes, de type omni-directionnel présentent un gain éle- vé, et sont utilisées fréquemment en station terrestre. Dans les applications point à point, on utilise plutôt des réseaux d'an- tennes à grande ouverture, des antennes dièdres, ou des antennes Yagi. On connait également ' les antennes LPA (log périodiques). Dans le domaine des antennes à encombrement réduit,les antennes fouets présentent un grand avantage de simplicité et de fiabilité mais correspondent à des utilisations en bandes de fré- quencesétroites. En revanche, dans ce domaine des antennes à en- combrement réduit, l'antenne hélicoïdale apparaît tout à fait favorable pour des utilisations satellisées. Là ou la plupart des antennes précedemment citées présentent un encombreient linéaire ou surfacique, et nébessitent souvent une opération de déploiement dans l'espace, l'antenne hélicoïdale séduit par sa robustesse et sa taille réduite. En contrepartie de ces avantages, l'antenne hélicoïdale fonctionne généralement en bande étroite, dans: la 5. mesure o sa faible résistance de rayonnement doit être compensée par une longueur suffisante des brins pour permettre la résonance. Or, des études ont été menées sur la possibilité de réaliser des antennes hélicoïdales sous la forme de plusieurs brins enroulés autour d'un même noyau, et dont les boucles sont inter- calées les unes entre les autres. Ainsi, dans un article intitulé"l'an- tenne hélico!dale quadrifilaire paru en Mars 1974 dans la revue "IEE TRANSACTION ON ANTENNAS AND PROPAGATION, Volume AP-22 n II" (pp. 173-178),A. Adams et AL. décrivent les résultats expérimen- taux obtenus avec des antennes de ce type. Dans l'utilisation classique de ces antennes hélicoïdales quadrifilaires, les brins sont alimentés normalement avec un décalage de phase de 90 , les uns par rapport aux autres, à partir d'une source d'excitation unique. Une telle antenne présente un diagramme de rayonnement unidirectionnel, selon son axe longitudinal, pour certainesdimen- sions(lorsque la circonférence de l'hélice est comprise entre 0,4 et 2,0fois la longueur d'onde de travail). A. Adams met en évidence deux avantages déterminants de l'antenne hélicoïdale quadrifilaire par rapport à l'antenne unifilaire, à savoir: - une augmentation de la largeur de bande, et, - l'abaissement de la fréquence nécessaire pour obtenir un fonctionnement en mode axial. A partir de ces constatations, l'auteur a établi les diagrammes de rayonnements correspondant à différents modes de réalisation d'antennes quadrifilaires,notaxment pour des angles d'incli- naison des enroulements, des diamètres et des longueurs d'antennes variables. Ces avantages de l'antenne quadrifilaire en font une antenne qui se prête particulièrement à une application satellisée. L'inconvénient principal de cette technologie réside dans la plus grande complexité du système d'alimentation, mais cet inconvénient reste tout à fait relatif par rapport aux avantages obtenus. C'est alors qu'on a découvert qu'il est possible d'exci- ter les différents brins d'une antenne quadrifilaire ou plus géné- ralement multifilaire par différentes sources d'alimentation et non 6. plus par une source d'alimentation commune. Bien que cette nou- velle application puisse para!tre hasardeuse au premier abord, les essais; ont montré que, dans le cas o les fréquences en question sont suffisamment proches les unes des autres, le couplage entre les différents signaux reste limité, et l'antenne présente uoebonne efficacité. Un.modèle de calcul du champ électromagnétique produit le long de l'axe longitudinal Z d'une antenne en hélice est rap- porté par S. Sensiper dans la revue Proc. IRE (Février 1955 PP. 149-161) sous le titre "propagation des ondes électromagnétiques dans les structures hélicoïdales". Ce modèle,dit de l'hélice-ru- ban, par opposition notamment au modèle de l'hélice-tube en forme de tube continu, part de l'hypothèse que l'hélice est formée d'un fil supposé d'être un parfait conducteur, présentant une épaisseur radiale nulle mais une épaisseur axiale de valeur finie. Dans la mesure o l'hélice est ainsi considérée comme une structure périodique, les champs ma- gnétiques sont multipliés par une constante complexe qui est une fonction des paramètres d'enroulement de l'hélice et de sa lon- gueur z. Les champs magnétiques le long de l'axe Z peuvent être exprimés de la manière suivante: -'Paz. j (2"3 z E (z) = Em e J Z. emNp = Eme-J z o Pm =Po + M. a- 2 'o avec m = nombre entier correspondant au mode d'onde (m=1 est le mode de rayonnement axial) N = nombre d'hé1ices ou de brins distincts enroulés sur le noyau commun p = pas de l'hélice. La figure 3 représente un mode de réalisation préfé- rentiel de l'invention dans lequel l'hélice hélicoïdale est quadrifilaire, et est donc constituée de quatre brins 41, 42, 43, 44 enroulés autour d'un m8me noyau, et dont les spires sont intercalées les unes entre les autres. Dans ce cas, et en repre- nant dans les équations mentionnées ci- dessus, la valeur m = 1 (rayonnement axial) et N = 4 (hélice quadrifilaire), on obtient E (Z) = E1 e J z e-j 2z et 1= Po 2 p On note que selon ce mode de réalisation, les champs s'additicnnent le long de l'axe Z pour des hélices individuelles disposées selon des intervalles de quart d'ondes. Une hélice quadrifilaire a été réalisée, et les expé- riences et les mesures effectuées ont montré que le couplage entre les brins hélicoldaux est périodique, et présente la forme d'onde caractéristique d'une onde stationnaire, probable- ment à cause de 1'interférence'modale. Le couplage reste faible avec un maximum de - 20 dB et un minimum de - 50 dB (voir fig.2). En tenant dpte de cette isolation relative existant tre les différents brins de l'antenne quadrifilaire, et donc entre les signauxs de fréquence proche des émetteurs et des récepteurs qui lui sont connectés, on peut choisir les fréquences d'émission et de ré- ception de façon à se placer dans les conditions optimales d'i- solation. Dans le mode de réalisation présenté en figure 3, l'an- tenne quadrifilaire est conneçtée à trois émetteurs E l E2u E3 par trois premiers brins hélicoIdaux 41 r 42r L3, età unrécepteur R par son quatrième et dernier brin hélicofda.l 44. Les fréquences d'émission des émetteurs EV, E2, E3 sont respectivement f f2' f3 et la fréquence de réception du récepteur R est notée fr' Puisqu'on a constaté que l'isolation est grande entre les si- gnaux de fréquence fl' f2' f3 et de fréquence fr' on dispose les fréquences d'émission et de réception comme indiqué en figure 2. L'antenne quadrifilaire agit comme un diplexeur,dans le sens o elle permiet de séparer les voies d'émission et de réception, et joue le rôle d'un mélangeur et d'un dispositif de rayuxinent pour les fréquences transmises. Il faut noter que le gain total de l'antenne a la même valeur que le gain d'un brin héliowdal unique. La configuration générale du dispositif présenté en figure 3, fournit les mêmes fonctions que le système représenté en figure 1. Il est clair que la réalisation de l'antenne avec 4 brins distincts ne constitue qu'un exemple et que l'invention concerne toute antenne multifilaire comprenant au moins deux brins hélicoïdaux distincts. De la même manière, chacun des brins peut être aussi bien relié à un émetteur qu'à un récepteur, sans que l'on puisse limiter l'invention à la configuration représenté en figure 3. L'invention présente finalement les avantages suivants par rapport à l'art antérieur: - elle supprime le recours à des mélangeurs hybrides ou du type de Wilkinson, et donc les pertes de puissance que ces mélangeurs entraînent, - les filtres diplexeurs peuvent être supprimés pour les applications en faible puissance, - le nombre des filtres diplexeurspeut être substan- tiellement réduit pour les applications de forte puissance, - et enfin, l'hélice quadrifilaire peut &tre réalisée par la technologie des circuits imprimés avec tous les avantages de poids, de résistance aux charges liées à la mise sur orbites ou encore de possibilités de productiQi de Fasse, etc... qoue oette technologie permet. Enfin, l' invention peut être utilisée corme système duplex de ra- yonnement dans un élénment source d'une antenne à réflecteur. Une application préférentielle de l'invention est l'utilisation dans les tranYpo.eurs de satellites avancés et dans les bandes fréquences VHF/UHF. 9. 2570546 REVENDICATIONS 1 ) Dispositif pour assurer simultanément la récep- tion et l'émission de plusieurs signaux radio-électriques de fréquences proches ou identiques, notamment pour les communica- tions spatiales en continu dans les gammes d'ondes VHF/UHF, du type comprenant au moins un appareil émetteur et au moins un appareil récepteur, lesdits appareils étant reliés à une antenne commune unique, dispositif caractérisé en ce que cette antenne est une antenne multifilaire hélicoldale, constituée de brins de rayonnement indépendants, enroulés en hélice autour d'un même noyau, lesdits brins étant décalés angulairement de manière régu- lière les uns par rapport aux autres, au moins deux de ces brins étant chacun connecté en continu à un appareil émetteur ou récep- teur distinct. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'antenne hélicoïdale est quadrifilaire, trois des brins de rayonnement hélicoïdaux indépendants (41,42,43) étant chacun séparément connectés à un émetteur E1, E2, E3 distincts, le quatrième brin (44) étant connecté à un récepteur R. 3 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'antenne multifilaire est à rayon- nement axial, la circonférence de chacun de ses brins hélicoïdaux (41,42, 43,44) étant comprise entre 0,4 et 2,0 fois la longueur d'onde des signaux transmis. 4 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que l'antenne multifilaire est réalisée par la technologie des circuits imprimés. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que l'antenne multifilaire est combinée à des filtres diplexeurs pour les applications de fortes puissance. 6 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tons 1 à 5, caractérisé en ce que l'antenne multifilaire consti- tue un système diplexeur d'un élément source d'une antenne à réflecteur.