Brevet FR2627330A1 — publié le 19890818

Antenne multifréquence, utilisable notamment dans le domaine des télécbommunications spatiales L'invention concerne une antenne multifréquence, utilisable notamment dans le domaine des télécommunications spatiales. L'évolution actuelle dans le domaine des satellites de télécommunication va dans le sens d'une augmentation générale de capacités: chaque satellite devant pour des raisons économiques pouvoir embarquer plusieurs charges utiles. D'une façon générale on peut dire que l'augmentation des capacités de trafic impose, pour des raisons de débit d'information, l'utilisation d'antennes à gain élevé. De plus, chaque mission a ses spécificités propres concernant les caractéristiques suivantes: - Bande de fréquence, - couverture,' performances générales radio-électriques (gain, découplage d'espace etc... ). Et il n'est pas possible, au sens de leur implantation sur le même corps de satellite, de multiplier le nombre de grandes antennes (diamètre supérieur à 2 mètres environ). De façon générale, que ce soit dans le cas d'un réseau à rayonnement direct ou d'une antenne à réflecteurs, il est attractif d'utiliser la même surface rayonnante: Ceci allant dans le sens d'une intégration maximale des fonctions et d'une meilleure utilisation des surfaces. L'invention a pour objet de répandre à un tel objectif. L'invention propose, à cet effet, une antenne multifréquence comprenant une première antenne imprimée fonctionnant à une ou plusieurs fréquences, caractérisée en ce qu'elle comprend une seconde antenne disposée devant la première antenne utilisant la même surface rayonnante et fonctionnant à une fréquence différente. - Avantageusement, la première antenne est formée d'un plan de masse, d'un substrat diélectrique sur lequel est disposée une piste métallique et la seconde antenne est une antenne de type filaire qui traverse la première antenne dans un trou de passage percé au centre de symétrie de la piste métallique, le plan de masse vu par l'antenne filaire étant composé de la piste métallique ainsi que du plan de masse -2- général de l'antenne imprimée. Dans une première réalisation la première antenne est une antenne plane, la seconde antenne est réalisée par un câble coaxial qui se termine par un dip8le. Dans une seconde réalisation, la première antenne est une antenne plane et la seconde antenne est réalisée par un câble coaxial qui se termine par une hélice. Les caractéristiques et avantages de l'invention-ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles: - les figures 1 et 2 représentent deux vues en coupe de réalisation de l'art connu; - la figure 3 représente une vue en coupe d'une réalisation de l'antenne selon l'invention; - la figure 4 représente une vue en coupe d'une autre réalisation de l'antenne selon l'invention; - les figures 5 et 6 illustrent des courbes, caractéristiques des pertes en réflection en fonction de la fréquence, relatives à la réalisation représentée à la figure 3; - la figure 7 représente une courbe, du découplage interéléments en fonction de la fréquence, relative à la réalisation représentée à la figure 3. L'invention consiste en l'association sur une même surface projetée d'au moins deux éléments rayonnants fonctionnant selon des principes différents: - un rayonnement réalisé par "cavités", réalisant ainsi une antenne microruban ou de type imprimée ("Patch" en anglais) - un rayonnement de type filaire, réalisant ainsi un dipôle ou une hélice rayonnants. Une antenne bi-fréquence selon l'invention permet de réaliser, sur la même surface utile le rayonnement à une fréquence à l'aide d'une antenne imprimée, le rayonnement à une autre fréquence par le biais d'une antenne filaire. L'indépendance de fonctionnement de ces deux antennes permet d'optimiser celles-ci à des fréquences séparées. Le découplage entre les deux éléments est assuré par le fait que les principes qui contribuent au rayonnement sont de natures différentes. Le principe et le calcul du rayonnement d'une antenne microruban, telie que représentée aux figures 1 et 2 avec un plan de masse 11, un substrat diélectrique 12 et une piste métallique 10, ont été décrit par de nombreux auteurs (voir notamment l'article de R.MOSIG et de E. GARDIOL intitulé "Rayonnement d'une antenne microruban de forme arbitraire", paru dans ANN. TELECOMMUN. 40, n 3-4, 1985 aux pages 181 à 189). Dans le cas d'éléments de forme carrée ou circulaire, on s'aperçoit que le point central A de la piste imprimée supérieure 10 (croisement de ses deux axes de symétrie) est au même potentiel que le plan de masse inférieur 11, comme représenté à la figure 1. Il y a donc aucun changement dans les caractéristiques (adaptation, rayonnement) entre une antenne imprimée nominale ou une antenne imprimée dont le conducteur supérieur est relié au plan de masse 12 (AB) par un stub métallique 13, comme représenté sur la figure 2. Selon l'invention on implante une antenne filaire sur une antenne imprimée en utilisant cette propriété. Une telle réalisation présente les deux caractéristiques suivantes: L'antenne filaire n'affecte pas les caractéristiques adaptation et rayonnement de l'antenne imprimée. - Du fait de principes de rayonnement différents, le couplage entre les deux éléments reste très faible. Un certain nombre de types d'antennes filaires, peut être envisagé comme pouvant être montées sur l'antenne imprimée. Le choix précis dépend d'une optimisation par rapport à un besoin, et oriente la solution vers des dipÈles, hélices monofilaires, hélices quadrifilaires... De telles antennes de type filaire ont été étudiées depuis de nombreuses années (voir notamment manuel de Richard C. JOHNSON et Henry JASIK intitulé "Antenna Engineering Handbook", McGraw-Hill Book Company, New-York). Les méthodes de calcul développées notamment dans ce document font des hypothèses sur la nature du courant établi sur les conducteurs afin d'évaluer l'intégrale de rayonnement. En fonctionnement nominal (sans antenne imprimée) l'élément filaire est placé devant un plan de masse à une distance convenable. Le rayonnement résultant peut être estimé par exemple à l'aide du principe -4 - des images pour une structure dipôle. Il n'y a aucun changement notable de performances de l'antenne filaire implantée sur une antenne imprimée, le plan de masse vu par l'antenne filaire étant réalisé par l'ensemble du conducteur imprimé et du plan de masse général de l'antenne imprimée. Comme la fréquence de fonctionnement de l'antenne filaire ne correspond pas à une résonnance de l'antenne imprimée, l'antenne imprimée ne joue pas de rôle particulier (concentration de champ, cavité, résonnance). Une légère adaptation de la hauteur du dipôle peut être toutefois nécessaire afin d'optimiser le diagramme résultant. Dans un exemple de réalisation, comme représenté à la figure 3, on a: une antenne imprimée plane, comme représentée à la figure 2, percée en son centre d'un trou 15 de passage; - un câble coaxial 16, passant par ce trou 15 perpendiculairement au plan de l'antenne imprimée. Ce câble se termine à son extrémité libre par une antenne dipôle 17. Dans cette réalisation représentée à la figure 3, le substrat diélectrique présente une épaisseur de quelques millimètres, la piste est de forme carrée et d'environ 60 mm-de côté. En fonctionnement nominal: - l'antenne imprimée présente une fréquence de résonance à 1628 MHz (voir courbe 20 à la figure 5) et des largeurs de bande d'adaptation: à -10dB: 31 MHz à -15dB: 16 MHz. - le dipôle seul est défini à 2449 MHz (voir courbe 21 à la figure 6) et présente les largeurs de bande d'adaptation suivantes: à -10dB: 227 MHz à -15dB: 110 MHz En fonctionnement bi-bande ces résultats sont très peu altérés, et les caractérisations de mesures ont fourni les indications suivantes: - pour l'accès antenne imprimée la fréquence d'accord est obtenue pour 1638 MHz (voir courbe 22 à la figure 5), soit un écart inférieur à 1% par rapport au "Patch" seul, et les largeurs de bande d'adaptation sont: à -10dB: 31,5 MHz à -15dB: 16,9 MHz - pour l'accès antenne dip8le, la fréquence d'accord obtenue est 2446 MHz (voir courbe 23 à la figure 6), soit un écart largement inférieur à 1% par rapport à l'élément seul, les largeurs d'adaptation sont: à -O10dB: 236 MHz à 15dB: 122 MHz Dans les deux cas, les différences sont mineures entre un fonctionnement bi-bande et un fonctionnement nominal en ce qui O10 concerne: la localisation des fréquences d'accord (écart 4 1%); la stabilité des performances d'adaptation en fréquence. De plus on vérifie le fait que le découplage interéléments De est toujours supérieur à 20dB, montrant ainsi le peu d'action d'une antenne sur l'autre (voir figure 7). On vérifie, de même, sur les coupes de diagramme qu'il n'existe aucune déviation ou impact majeur entre l'élément nominal (antennes prises seules) et l'élément bi-bande. On sait, par ailleurs, que l'épaisseur du substrat diélectrique est relativement faible et dépend de la nature du matériau diélectrique pour une structure "nid d'abeille" en KEVLAR: on aura toujours une épaisseur pour autant, sortir du cadre de l'invention. Ainsi d'autres types d'antennes peuvent être associées à une- antenne microruban, tout en utilisant la même surface rayonnante. La forme de l'antenne microruban peut bien évidemment ne pas être plane et être munie d'une certaine courbure (cylindrique, sphérique....), dépendant de son implantation particulière sur une 6structure: par exemple imlantation sur des surfaces concaves. structure par exemple implantation sur des surfaces concaves. - 7- REVENDICATIONS 1/ Antenne multifréquence comprenant une première antenne imprimée (10, 11, 12) fonctionnant à une ou plusieurs fréquences, caractérisée en ce qu'elle comprend une seconde antenne (17) disposée devant la première antenne utilisant la même surface rayonnante et fonctionnant à une fréquence différente. 2/ Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première antenne (10, 11, 12) est formée d'un plan de masse (11), d'un substrat diélectrique (12) sur lequel est disposée une piste métallique (10), en ce que la seconde antenne (17) est une antenne de type filaire qui traverse la première antenne dans un trou de passage (15) percé au centre de symétrie de la piste métallique (10), le plan de masse vu par l'antenne filaire étant composé de la piste métallique (10) ainsi que du plan de masse général (11) de l'antenne imprimée. 3/ Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la seconde antenne est réalisée par un câble coaxial (16) qui se termine par un dip8le (17). 4/ Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la seconde antenne est réalisée par un câble coaxial qui se termine par une hélice (18). / Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première antenne (10, 11, 12) est une antenne plane. 6/ Antenne réseau, caractérisée en ce qu'elle est formée de l'association d'un certain nombre d'antennes élémentaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.