Brevet FR2674689A1 — publié le 19921002

La présente invention concerne une antenne cylindrique imprimée omnidirectionnelle et un répondeur radar maritime qui utilise de telles antennes. On a cherché à réaliser une antenne cylindrique qui soit omnidirectionnelle dans un plan horizontal et qui ait un diamètre minimisé tout en présentant un gain assez élevé. Son angle d'ouverture dans un plan vertical peut être de l'ordre de 350 et, dans ce cas, elle peut être utilisée dans un répondeur radar maritime en tant qu'antenne de réception et antenne d'émission dans la bande de fréquences 9,2 GHz-9,5 GHz. Le but de l'invention est de réaliser une antenne qui présente ces caractéristiques techniques et dont la fabrication soit facile à mettre en oeuvre. A cet effet, une antenne cylindrique selon l'invention est constituée d'un substrat cylindrique d'un matériau diélectrique dont la paroi interne est recouverte d'une couche d'un matériau métallique formant un plan de masse et dont la paroi externe reçoit les éléments rayonnants, ceux-ci étant arrangés en une pluralité de sous-réseaux identiques parallèles entre eux et équidistants sur un périmètre du substrat, les sous-réseaux étant alimentés en phase, chaque sous-réseau étant constitué d'une ligne d'alimentation rectiligne qui, sur le substrat cylindrique de l'antenne, se trouve sur une génératriee dudit cylindre et d'une pluralité d'éléments rayonnants identiques situés alternativement de part et d'autre de ladite ligne d'alimentation et alimentés par ladite ligne d'alimentation de manière à pouvoir émettre des ondes en phase, la distance sur le périmètre du cylindre qui sépare deux sous-réseaux voisins étant au plus égale à 2 fois la dimension maximale sur le périmètre du cylindre des éléments rayonnants, les éléments rayonnants d'un côté d'un sous-réseau étant entrelacés avec les éléments rayonnants du côté opposé d'un sousréseau voisin. De cette manière, du fait de cet entrelacement, on dispose du nombre maximum d'éléments rayonnants, ceux-ci émettant en phase, ce qui permet à l'antenne de présenter un gain maximum pour un diamètre minimisé. L'espacement entre les sous-réseaux est ajusté, dans la fourchette indiquée, de manière que l'émission du rayonnement dans un plan horizontal soit omnidirectionnelle. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque élément rayonnant est constitué d'une pastille conductrice de forme carrée dont un coin est en contact galvanique avec la ligne d'alimentation du sous-réseau correspondant et dont une diagonale est perpendiculaire à la ligne d'alimentation au point d'alimentation. Selon une autre caractéristique de l'invention, les éléments rayonnants d'un même sous-réseau sont distants entre eux, sur la ligne d'alimentation dudit sous-réseau, d'une demi-longueur d'onde guidée par ladite ligne d'alimentation. L'invention concerne également un répondeur radar maritime comprenant un boîtier cylindrique dont au moins une partie forme un râdome et qui renferme un récepteur d'ondes telles que celles qui sont émises par un système radar à balayage, un émetteur émettant de telles ondes radar, un circuit de commande qui commande l'émission de l'émetteur lorsque le récepteur a reçu une onde radar issue d'un système radar, le récepteur et l'émetteur comportant respectivement une antenne de réception et une antenne d'émission. Selon une première caractéristique, chaque antenne est une antenne cylindrique présentant les caractéristiques mentionnées ci-dessus et est montée coaxialement à l'intérieur de ladite partie formant radôme. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'émetteur, le récepteur et le circuit de commande de ce répondeur sont montés sur une même plaque de circuit imprimé sur laquelle sont enfilées les antennes cylindriques d'émission et de réception, l'émetteur se trouvant à l'intérieur de l'antenne d'émission et le récepteur à l'intérieur de l'antenne de réception. Selon une autre caractéristique de l'invention, sur la plaque de circuit imprimé, l'émetteur et le récepteur se trouvent sur une face alors que le circuit de commande est sur l'autre face. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est une vue en perspective d'une antenne selon l'invention, la Fig. 2 est une vue en développée sur un plan d'un réseau d'éléments rayonnants d'une antenne selon l'invention, les Figs. 3a et 3b sont des courbes de caractéristiques d'une antenne selon l'invention, et la Fig. 4 est une vue en perspective d'un répondeur radar selon la présente invention qui utilise deux antennes selon l'invention. L'antenne cylindrique représentée à la Fig. 1 est constituée d'un substrat cylindrique d'un matériau diélectrique dont la paroi interne est recouverte d'une couche 2 d'un matériau métallique formant un plan de masse et dont la paroi interne reçoit des éléments rayonnants 3 alimentés par des lignes d'alimentation 4. Le substrat est, par exemple, dans un matériau diélectrique tel que du polypropylène ou de verre Téflon. Sa permittivité relative est, par exemple, voisine de 2,2. Pour un fonctionnement correct dans une bande centrée sur 9,4 GHz, son épaisseur est avantageusement de l'ordre de 800 microns. Les éléments rayonnants 3 sont réalisés sur le substrat 1 selon la technique du circuit imprimé sur une plaque diélectrique recouverte, au préalable, sur chacune de ses deux faces, d'une couche métallique, par exemple, de cuivre ou d'aluminium et qui est, après impression des éléments rayonnants 3 sur une de ces deux faces, roulée pour former l'antenne cylindrique représentée à la Fig. 1. La Fig. 2 montre un réseau d'éléments rayonnants 3 selon un exemple de réalisation de l'invention. Ce réseau est montré en développée sur un plan tel qu'il apparaît lorsqu'il est imprimé sur une plaque, avant son roulage. Il comprend quatre sous-réseaux R1, R2, R3, et R4 identiques de, chacun, quatre éléments rayonnants identiques 3, les sous-réseaux Ri étant parallèles entre eux et équidistants sur le périmètre du cylindre. Le nombre de sous-réseaux peut être inférieur ou supérieur à quatre, selon le diamètre de l'antenne que l'on désire obtenir. Tels qu'ils sont représentés, les sous-réseaux Ri sont alimentés en phase selon une configuration en arborescence. Ainsi, les sous-réseaux R1, R2, R3 et R4 sont respectivement alimentés par des lignes conductrices L1, L2, L3 et L4 coudées à 900, les lignes L1 et L2 ont leurs extrémités communes reliées à une ligne conductrice L12 coudée à 900 et les lignes L3 et L4 ont leurs extrémités communes reliées à une ligne conductrice L34 coudée à 900. Enfin, ces dernières L12 et L34 ont leurs extrémités communes reliées à une ligne d'alimentation générale LA. Un autre mode d'alimentation pourrait également être utilisé dès lors qu'il assure une alimentation en phase des sous-réseaux R1 à R4, par exemple, une alimentation en série. Les lignes L1 à L4 ont des longueurs qui sont égales à une longueur d'onde guidée sur le substrat à la fréquence de fonctionnement de l'antenne. Leur largeur est telle qu'elles ont une impédance caractéristique permettant l'adaptation d'impédance avec les sous-réseaux R1 à R4. Les lignes L12 et L34 ont des longueurs égales et présentent, chacune, une impédance caractéristique qui permet l'adaptation d'impédance avec les lignes L1 à L4 et les sous-réseaux que ces dernières alimentent. On notera que ces adaptations d'impédance peuvent néanmoins nécessiter des transformateurs quart d'onde consistant en un élargissement des lignes d'alimentation sur une longueur égale à un quart de longueur d'onde guidée sur le substrat. Ainsi, dans le cas où plus de quatre sous-réseaux sont utilisés, de tels transformateurs devront être prévus sur les lignes L1 à L4 et L12 et L34. De même, si plus de quatre éléments rayonnants par sous-réseau sont utilisés, il est nécessaire de prévoir des transormateurs sur les tronçons de ligne entre les éléments rayonnants. On remarquera que les lignes L12 et L34 ont des tronçons (horizontaux sur la Fig. 2) qui appartiennent à un même périmètre du cylindre. I1 en est de même des lignes L1 à L4 qui ont aussi des tronçons appartenant à un même périmètre du cylindre. Chaque sous-réseau Ri est constitué d'une ligne d'alimentation rectiligne LR qui, sur le substrat cylindrique 1 de l'antenne, se trouve être sur une génératrice de ce cylindre. Alternativement de part et d'autre de la ligne d'alimentation LR, on trouve, alimentés en des points espacés sur ladite ligne LR d'une demi-longeur d'onde guidée sur le substrat, quatre éléments rayonnants 3. Chaque élément rayonnant 3 est avantageusement constitué d'une pastille conductrice de forme carrée dont un coin 31 est en contact galvanique avec la ligne d'alimentation LR pour son excitation et dont une diagonale d est perpendiculaire à la ligne d'alimentation LR au point d'alimentation 31. Les éléments rayonnants 3 pourraient également être constitués de pastilles conductrices de forme quelconque, par exemple, circulaire, rectangulaire, etc. De forme carrée ou rectangulaire, ils pourraient également etre alimentés par le milieu d'un côté au moyen d'un tronçon de ligne approprié. La ligne d'alimentation LR de chaque sous-réseau et le tronçon vertical sur la Fig. 2 de la ligne LI à L4 correspondante sont colinéaires. On remarquera que les éléments rayonnants 3g situés d'un côté de la ligne d'alimentation LR d'un sous-réseau R sont entrelacés avec les éléments rayonnants 3d du côté opposé de la ligne d'alimentation LR d'un sous-réseau voisin R. 1 ou Ri 1 Dans le sens vertical sur la Fig. 2, les éléments rayonnants 3 entrelacés sont distants d'une demi-longueur d'onde guidée sur le substrat. La distance qui sépare les lignes d'alimentation LR de deux sous-réseaux R. et Ri 1 voisins est un paramètre important quant à la caractéristique omnidirectionnelle de l'antenne. Cette distance est au plus égale à 2 fois la dimension maximale sur le périmètre du cylindre des éléments rayonnants, c'est-à-dire, dans le cas d'éléments rayonnants contitués de pastilles de forme carrée, la longueur de la diagonale de cette pastille. On a réalisé des mesures sur une antenne cylindrique ayant un substrat de permittivité égale à 2,2 et dont le rayon est de 15 mm. La distance sur la ligne LR de chaque sous-réseau Ri entre deux éléments rayonnants est sensiblement égale à 12,1 mm et la distance entre deux sous-réseaux voisins est sensiblement égale à 2,40 mm. La diagonale du carré des pastilles 3 est sensiblement égale à 14 mm. Sans transformateur d'adaptation d'impédance, on a ajusté la largeur des lignes d'alimentation L1 à L4, L12, L34, et LA à une impédance caractéristique de 80 ohms dans la bande de fréquences 9,2 GHz-9,5 GHz. La Fig. 3a montre des diagrammes de gain en fonction de l'angle d'azimuth qui ont été tracés avec cette antenne à une fréquence de fonctionnement de 9,4 GHz. L'axe principal du cylindre de cette antenne est vertical. Dans un plan horizontal, le gain pour la composante principale de polarisation est sensiblement constant et les ondulations de gain remarquées ne dépassent pas 2,5 dB. Le gain pour la composante croisée est inférieur d'au moins 10 dB à celui de la composante principale. On constate donc que l'antenne émet une onde polarisée sensiblement linéairement dans un plan horizontal. Par ailleurs, on a effectué des mesures de gain pour la composante principale de polarisation à différentes fréquences de fonctionnement dans la bande de fréquences 9,2-9,5 GHz et on a pu constater, qu'avec cette antenne, les ondulations de gain en fonction de l'angle d'azimuth sont toujours inférieures à 3,5 dB. Par ailleurs, le rapport d'onde stationnaire (ROS) est inférieur à 1,5 dans la bande 9,2 GF{z - 9,5 GHz. On a représenté, Fig. 3b, le gain à une fréquence de fonctionnement de 9,4 GHz d'une antenne selon l'invention en fonction de l'angle que forme la direction de mesure avec un plan horizontal, l'antenne cylindrique ayant son axe principal vertical. On constate que l'angle d'ouverture à - 3 dB tel que mesuré est de + 180 et - 180 par rapport à l'horizontale. Notons que ce dernier résultat a été obtenu avec des sous-réseaux à quatre éléments rayonnants. Avec des sous réseaux à huit éléments, l'angle d'ouverture aurait été sensiblement deux fois moindre alors qu'avec seulement deux éléments par sous-réseau, il aurait été deux fois supérieur. On a représenté, à la Fig. 4, un répondeur radar maritime de sauvetage. I1 comprend un boîtier cylindrique 10, représenté ici en traits fins pointillés mixtes, à l'intérieur duquel sont logées, coaxialement, une antenne cylindrique émettrice 11 et une antenne cylindrique réceptrice 12. Le boîtier 10 représenté comprend une partie lOa formant un radôme transparent aux ondes radar et une partie lOb. Les antennes 11 et 12 sont à l'intérieur de la partie lOa. Pour des raisons de simplicité de construction, tout le bottier 10 peut être un radôme. Sur une face d'une plaque de circuit imprimé 13, sont prévus, à une première extrémité, un émetteur 14 logé à l'intérieur de la première antenne cylindrique Il, et, à l'autre extrémité, un récepteur 15 logé à l'intérieur de la seconde antenne cylindrique 12. Sur l'autre face de la plaque 13, est prévu un circuit de commande 16. Des câbles coaxiaux 17 et 18 sont respectivement prévus pour respectivement relier la sortie de signal à haute fréquence de l'émetteur 14 à l'antenne d'émission 10 et l'entrée de signal à haute fréquence du récepteur 15 à l'antenne de réception 11. Un dispositif d'alimentation électrique 19 est prévu, dans la partie lOb, pour alimenter en courant continu l'émetteur 14, le récepteur 15 et le circuit de commande 16. Selon des variantes de réalisation de l'invention, ce dispositif d'alimentation 19 est séparé du reste du répondeur et se trouve dans un second boîtier distinct du bottier 10. Dans ce cas, la partie lOb du boîtier 10 n'existe pas. Le récepteur 15 est du type qui peut recevoir et démoduler des signaux émis par des systèmes radar émettant dans la bande de fréquences 9,2 GHz - 9,5 GHz. Quant à l'émetteur 14, il émet, par balayage en fréquence, des ondes dans la même bande de fréquences. Un répondeur radar selon l'invention est utilisé comme suit. I1 équipe, par exemple, une bouée ou un bateau de sauvetage. Un second bateau a un système radar à faisceau tournant qui émet, par exemple, sur une fréquence dans la bande 9,2 GHz - 9,5 GHz. Lorsqu'il passe à portée d'une bouée ou d'un bateau dont le répondeur radar maritime est mis en route, suite par exemple à un naufrage, l'antenne réceptrice 11 de ce répondeur reçoit périodiquement les signaux émis par le système radar et le récepteur 15, relié à l'antenne de réception 11, les détecte. Ceci a pour effet d'activer le circuit de commande 16 qui met alors en marche l'émetteur 14. Celui-ci émet, via l'antenne émettrice 10 auquel il est relié et par balayage en fréquence, des ondes radar dans la même bande de fréquence qui sont alors captées par le système radar du second bateau. I1 est donc possible de déterminer, sur l'écran de ce systèmé, la position de la bouée. Les antennes selon l'invention sont particulièrement bien adaptées à cette application particulière. En effet, de part, leur forme, elles sont facilement logeables dans un bottier cylindrique. Dans le volume interne que chacune engendre, il est possible de placer les émetteur et récepteur qui, du fait du plan de masse sur leurs parois internes de l'antenne, sont isolés des ondes et parasites ambiants et qui, par conséquent, ne nécessitent pas de blindages. REVENDICATIONS 1) Antenne cylindrique imprimée, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un substrat cylindrique (1) dans un matériau diélectrique dont la paroi interne est recouverte d'une couche (2) d'un matériau métallique formant un plan de masse et dont la paroi externe reçoit des éléments rayonnants (3), ceux-ci étant arrangés en une pluralité de sous-réseaux identiques (Ri) parallèles entre eux et équidistants sur un périmètre du substrat (1), les sous-réseaux (Ri) étant alimentés en phase, chaque sous-réseau (Ri) étant constitué d'une ligne d'alimentation rectiligne (LR) qui, sur le substrat cylindrique (1) de l'antenne, se trouve sur une génératrice dudit cylindre et d'une pluralité d'éléments rayonnants (3) situés alternativement de part et d'autre de ladite ligne d'alimentation (LR) et alimentés par ladite ligne d'alimentation (LR) de manière à pouvoir émettre des ondes en phase, la distance sur le périmètre du cylindre qui sépare deux sous-réseaux voisins (Ri et Ri+l) étant au plus égale à 2 fois la dimension maximale sur le périmètre du cylindre des éléments rayonnants (3), lesdits éléments rayonnants d'un côté d'un sous-réseau étant entrelacés avec les éléments rayonnants (3) du côté opposé d'un sous-réseau voisin. 2) Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque élément rayonnant (3) est constitué d'une pastille conductrice de forme carrée dont un coin est en contact galvanique avec la ligne d'alimentation (LR) du sous-réseau (Ri) correspondant et dont une diagonale (d) est perpendiculaire à ladite ligne d'alimentation (LR) au point d'alimentation (31). 3) Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (3) d'un même sous-réseau sont distants entre eux d'une demi-longueur d'onde guidée par ladite ligne d'alimentation (LR). 4) Répondeur radar maritime comprenant un boîtier dont au moins une partie forme un radôme et qui renfermant un récepteur (15) d'ondes telles que celles qui sont émises par un système radar à balayage, un émetteur (14) pouvant émettre de telles ondes radar, un circuit de commande (16) qui commande l'émission de l'émetteur (14) lorsque le récepteur (15) a reçu une onde radar d'un système radar, le récepteur (15) et l'émetteur (14) comportant respectivement une antenne de réception (11) et une antenne d'émission (10), caractérisé en ce que chaque antenne (10, 11) est une antenne cylindrique selon une des revendications précédentes, chaque antenne étant montée coaxialement à l'intérieur de ladite partie du bottier (10) formant radôme. 5) Répondeur radar selon la revendication 4, caractérisé en ce l'émetteur (14), le récepteur (15), le circuit de commande (16) sont montés sur une même plaque (13) de circuit imprimé sur laquelle sont enfilées les antennes cylindriques d'émission (10) et de réception (11), l'émetteur (14) se trouvant à l'intérieur de l'antenne d'émission (10) et le récepteur (15) à l'intérieur de l'antenne de réception (11). 6) Répondeur radar selon la revendication 5, caractérisé en ce que, sur la plaque (13) de circuit imprimé, l'émetteur (14) et le récepteur (15) sont montés sur une face alors que le circuit de commande (16) est monté sur l'autre face.