Brevet FR2685979A1 — publié le 19930709

SYSTEME D'ANTENNE L'invention concerne un système d'antenne destiné à la communication simultanée avec un satellite géostation- naire et un satellite à orbite polaire. Le but de l'invention est de concevoir un système d'antenne pouvant communiquer au moyen d'un seul système sans suivi sur des bandes de fréquence très proches les unes des autres de façon simultanée aussi bien avec un satellite géostationnaire qu'avec un satellite à révolution quelcon- que Selon l'invention, ceci est obtenu grâce à un système d'antenne pour la communication simultanée avec un satellite géostationnaire et avec un satellite à orbite polaire carac- térisé par un empilage concentrique d'éléments radiateurs (résonateurs) à guide d'ondes à rubans ou à microbandes discordes ou circulaires, à polarisation circulaire qui sont fixés sur une surface réfléchissante métallique et agencés horizontalement au moyen d'un corps central métallique, symétrique et cylindrique, le diamètre des résonateurs calculé à partir de la surface réfléchissante métallique agencée vers le bas, allant en décroissant du bas vers le haut, le résonateur supérieur ayant la forme d'un élément radiateur circulaire ou discoïde à symétrie perturbée et étant alimenté par une conduite coaxiale guidée excentrique- ment à travers le corps central de façon à former deux modes fondamentaux excités orthogonaux dans la quadrature de phase, et les autres résonateurs étant formés comme éléments radiateurs circulaires et excités par un réseau d'alimenta- tion imprimé entre le résonateur inférieur et la surface réfléchissante plane et par quatre fils d'alimentation en mode supérieur. Dans des variantes avantageuses faisant l'objet des sous-revendications, N 2 2 émetteurs radiateurs circulaires sont prévus, le corps central étant conçu sous forme d'élément tournant à N-étages permettant de remplir avec précision les alésages intérieurs de l'élément radiateur circulaire, l'élément radiateur à guide d'ondes à ruban ou à microbande circulaire inférieur et le système d'alimenta- tion hybride relié solidement à celui-ci en exécution à guide d'ondes à ruban ou à microbande utilisent le même substrat, à la place d'une symétrie circulaire ou cylindri- que des résonateurs ou du corps central, il est prévu une symétrie axiale octogonale ou une autre symétrie axiale d'ordre pour le cas du mode 2 1 ou une symétrie d'ordre perturbée pour l'élément radiateur de mode 1 1. Dans l'installation d'antennes selon l'invention sont prévus deux systèmes d'antenne en l'occurrence un système d'antenne agencé et monté plus en hauteur qui comporte une antenne à guide d'ondes à rubans (ou plusieurs antennes superposées de ce type) circulaire ou polarisée circulairement, désignée en langue anglaise sous l'appella- tion de "Patch" et qui rayonne en mode fondamental et produit pour des satellites en mouvement, par exemple dans le système de positionnement global (GPS) la caractéristique semi-circulaire nécessaire, et un système d'antenne affecté à celui-ci qui comporte au moins une antenne circulaire (ou également plusieurs antennes circulaires superposées) qui rayonne(nt) dans un mode supérieur Les modes supérieurs produisent des caractéristiques de rayonnement avec une position zéro dans la direction zénithale qui s'avère optimale pour la communication avec des satellites géosta- tionnaires du territoire européen. Les antennes excitées par les modes supérieurs sont conçues selon le principe des antennes ou dispositifs de rayonnement à microbandes ou à guide d'ondes à ruban annu- laire qui lors de l'utilisation de deux éléments radiateurs ou plus fixés sur un corps central à deux étages ou plus symétriques axialement Dans ce cas, ce corps central a pour effet de ne pas influencer les propriétés de symétrie par suite de la réalisation d'une conduite d'alimentation pour l'antenne supérieure. Grâce au corps central étagé, on obtient une meilleure adaptation du deuxième élément radiateur à guide d'ondes à ruban circulaire (ou des énièmes éléments radia- teurs) c'est-à-dire de l'élément radiateur guide d'ondes à ruban situé le plus bas lorsque le point d'alimentation est sélectionné de façon optimale pour le premier élément radia- teur guide d'ondes à ruban circulaire. De façon appropriée, le diamètre de chaque étage de corps central est égal au diamètre intérieur de l'élément radiateur circulaire correspondant afin d'éviter un couplage des éléments radiateurs circulaires par l'entrefer et de simplifier ainsi l'optimisation d'adaptation (expérimenta- le). Grâce à la combinaison décrite de modes orthogonaux, on obtient pour un agencement symétrique par rapport à l'axe de façon avantageuse un découplage particulièrement satis- faisant des deux systèmes d'antennes superposés. Grâce à l'installation d'antennes selon l'invention, il est possible de découpler de façon satisfaisante deux canaux dont l'un est affecté à un satellite géostationnaire et l'autre est affecté à un satellite se déplaçant selon n'importe quel orbite. Etant donné que l'installation d'antennes selon l'invention est destinée à l'application sur le toit des automobiles ou dans un environnement similaire, l'installa- tion d'antennes selon l'invention est de conception particu- lièrement compacte et elle est logée dans un radôme formé avantageusement de façon aérodynamique et de faible hauteur. On va maintenant décrire l'invention sur la base d'un mode de réalisation préféré en se référant au dessin d'accompagnement dans lequel: la figure l A est une vue de dessous et la figure 1 B est une vue en coupe médiane d'un mode de réalisation avantageux d'une instal- lation d'antenne revêtue par un radôme selon l'invention; la figure 2 est une représentation en perspective détaillée du mode de réalisation pré- féré représenté sur les figures l A et 1 B de l'installation d'antenne sans radôme; la figure 3 est une représentation tridimension- nelle des fonctions de base ainsi que des schémas de répartition de courant en vue de dessus d'un résonateur cir- culaire pour trois différents modes de fonctionnement la figure 4 est une coupe en élévation d'un schéma de rayonnement mesuré pour le système de positionnement global (GPS) avec un angle azimutal + = O'; les figures 5 et 6 sont une coupe en élévation d'un schéma de rayonnement mesuré pour une antenne INMARSAT-standard-C avec un angle azi- mutal + = O' pour un canal SAT-COM de 1,5375 G Hz ou 1,635 G Hz; ainsi que les figures 7 et 8 sont des coupes coniques d'un schéma de rayonnement mesuré pour une antenne INMARSAT-standard-C avec des angles d'élévation 900 4 = 200 et 450 pour des canaux SAT-COM de 1,5375 G Hz et 1,635 G Hz. Les figures 1 A, l B et 2 représentent une vue de dessous en coupe médiane ou une représentation en perspec- tive éclatée dans le détail d'un mode de réalisation préféré d'une installation d'antenne selon l'invention sous forme d'agencement combiné GPS/INMARSAT Comme cela apparaît sur les figures 1 B et 2, l'installation d'antenne comporte trois éléments radiateurs à guide d'ondes à ruban 3, 6 et 12 superposés à polarisation circulaire pour trois bandes de fréquence avoisinantes proches les unes des autres Dans ce cas, la fréquence GPS de 1,575 G Hz de l'élément radiateur guide d'ondes à ruban circulaire 3 se situe entre les deux bandes de fréquence INMARSAT de 1,535 jusqu'à 1,545 G Hz et 1,625 jusqu'à 1,645 G Hz des deux éléments radiateurs guide d'ondes à ruban circulaire 6 et 12. L'élément radiateur GPS 3 est comme cela apparait sur la figure 2, agencé comme élément radiateur supérieur et il est excité en mode fondamental 1 1 L'élément radiateur GPS 3 est réalisé à partir d'un substrat d'une épaisseur approximative de 5 mm avec une constante diélectrique élevée (E = 6) permettant ainsi d'obtenir une caractéristique de radiation aussi large que possible. Les deux éléments radiateurs guide d'ondes à ruban circulaire 6 et 12 superposés tout en étant cependant agencés sous l'élément radiateur GPS 3 fonctionnent par exemple dans le mode 2:1 Les deux éléments radiateurs 6 et 12 consistent en un substrat en polyoléfine avec une cons- tante diélectrique considérablement plus faible (E = 2,3) et ils sont alimentés au moyen d'un élément hybride 13 Grâce à un corps central constitué par trois parties 8 à 10 dans le mode de réalisation représenté, on mène une conduite coaxiale 5, 11 au moyen de laquelle on alimente un condensa- teur 2 de l'élément radiateur GPS 3 monté en série et prévu sur le côté supérieur de cet élément radiateur GPS 3 Ce condensateur 2 sert à condenser l'inductivité de la conduite d'alimentation au niveau de l'élément radiateur GPS 3 et à améliorer simultanément l'adaptation de l'antenne Une pola- risation circulaire est produite par une perturbation de la symétrie circulaire de l'élément radiateur GPS 3 sous forme de deux fraisures 3, et 32 dans la périphérie extérieure de l'élément radiateur circulaire 3 Les deux fraisures 31 et 32 dans l'élément radiateur 3 sont formées de façon diamé- tralement opposées entre elles avec des angles azimutaux de 450 et 245 . L' alimentation des deux éléments radiateurs INMARSAT 6 et 12 s'effectue par l'intermédiaire du système hybride 13 qui est exécuté selon la technologie des guides d'ondes à rubans ou des microbandes, en quatre endroits 61 à 64 par l'intermédiaire de condensateurs 41 à 44 ou en quatre endroits 12, jusqu'à 124 de l'élément radiateur 12 Grâce au système hybride 13, on excite des modes 2 1 décalés de 450 en azimut avec une différence de phase de 90 , ce qui permet de produire une caractéristique de radiation quasiment indé- pendante de l'azimut, et pratiquement polarisée circulaire- ment Pour améliorer la symétrie, comme cela est montré sur la figure 2, chaque mode 2 1 est alimenté en deux points diamétralement opposés entre eux 61, 63 et 62, 64 ou 121, 123 et 122, 124. Le système hybride 13 est collé avec le diélectrique résonateur de l'élément radiateur inférieur 12 de sorte que ledit système hybride 13 et l'élément radiateur 12 utilisent le même substrat Grâce à cette mesure, on peut par exemple comparativement à un système hybride conçu selon la techni- que de guidage à 3 plaquettes économiser un niveau de substrat et par conséquent réduire la hauteur globale de l'installation d'antenne. Le couplage électrodynamique indésirable du système hybride 13 et de l'élément radiateur 12 est maintenu dans des limites minimes grâce au fait que l'épaisseur de substrat de la platine du système hybride 13 est faible par rapport à celle de l'élément radiateur inférieur 12 (Une partie de l'asymétrie sur les caractéristiques azimutales reproduites aux figures 7 et 8 est imputable à ces coupla- ges). Comme cela apparaît sur les figures l B et 2, les fils 71 à 74 sont raccordés dans des alésages correspondants 61 à 64 ou 12, à 124 dans les deux douilles en matière syn- thétique 15 prévues dans les deux éléments radiateurs 6 et 12 aux quatre condensateurs 41 à 44 ou aux prises coaxiales 16, et 16 prévues sur le côté supérieur de l'élément radia- teur supérieur 6 Les prises coaxiales 16, à 163 sont fixées sur une embase ou platine 14 sur laquelle grâce à un boulon fileté 1 est mis en place l'ensemble de l'installation d'antenne 3, 6, 12/13 et au moyen d'éléments de fixation non représentés en détail à travers des alésages 140 de la platine 14 est fixé un radôme 20 recouvrant la totalité de l'installation d'antenne, comme cela est montré sur la figure 1 B. Les deux modes, en l'occurrence le mode fondamental 1.1 et le mode 2 1 de l'élément radiateur GPS 3 ou des deux éléments radiateurs INMARSAT 6 et 12 sont orthogonaux l'un par rapport à l'autre, c'est-à-dire que le canal GPS est découplé des deux canaux INMARSAT Grâce à cela, un récep- teur GPS ne sera pas surchargé même lors d'une émission des antennes INMARSAT et les caractéristiques de deux systèmes d'antenne 3 et 6, 12 ne s'influencent pas même dans le cas o les bandes de fréquence correspondantes se chevauchent. La figure 3 est une représentation tridimensionnelle des fonctions de base des trois différents modes 1 1, 2 1 et 3.1 ainsi que respectivement les distributions de courant correspondantes d'un résonateur circulaire De plus, la figure 3 montre pour orientation les coordonnées polaires cp et p. Les figures 4 et 8 représentent les schémas de radiation mesurée du mode de réalisation représenté sur les figures l A, 1 B et 2 d'une installation d'antenne selon l'invention avec les fréquences moyennes respectives Ici, l'installation d'antenne est montée au centre d'une plaque métallique de dimensions approximatives de 1,4 m x 1, 5 m pouvant constituer une toiture automobile La verticale est ici l'axe polaire e = O O d'un système de coordonnées polaires e, À. La figure 4 montre en détail et en vue d'élévation un schéma de radiation mesurée pour GPS avec + = Q O et une polarisation circulaire à droite et à gauche du canal GPS de 1,575 G Hz. La figure 5 représente un schéma de radiation en élévation en coupe pour standard C avec 1 = O' avec une polarisation circulaire à gauche et à droite du canal SAT- COM avec 1,5375 G Hz. La figure 6 reproduit une coupe en élévation supplé- mentaire d'un schéma de radiation pour standard C pour + = O' avec une polarisation circulaire à droite et à gauche du canal SAT-COM avec 1,635 G Hz. La figure 7 reproduit les coupes coniques d'un schéma de radiation mesurée pour standard C pour 90 e = et 45 pour une polarisation circulaire à droite du canal SAT-COM avec 1,5375 G Hz. La figure 8 montre d'autres coupes coniques d'un schéma de radiation mesurée pour standard C pour 90 e = et 45 pour une polarisation circulaire à droite du canal SAT-COM avec 1,635 G Hz. REVENDICATIONS 1 Installation d'antenne pour la communication simultanée avec un satellite géostationnaire et avec un satellite à orbite polaire caractérisée par un empilage concentrique d'éléments radiateurs à guide d'ondes à rubans ou à microbandes, discordes ou circulaires, à polarisation circulaire (résonateurs; 3, 6, 12) qui sont fixés sur une surface réfléchissante métallique ( 14) et agencée horizontalement au moyen d'un corps central ( 8 à 12) métallique, symétrique et cylindrique, le diamètre des résonateurs ( 12, 6, 3) calculé à partir de la surface réfléchissante ( 14) métallique agencée vers le bas, allant en décroissant du bas vers le haut, le résonateur supérieur ayant la forme d'un élément radia- teur circulaire ou discoide à symétrie perturbée et étant alimenté par une conduite coaxiale guidée excentriquement à travers le corps central ( 8 à 10) de façon à former deux modes fondamentaux excités ( 1 1) orthogonaux dans la quadra- ture de phase, et les autres résonateurs ( 6, 12) étant formés comme éléments radiateurs circulaires et excités par un réseau d'alimenta- tion ( 13) imprimé entre le résonateur inférieur et la surface réfléchissante plane ( 14) et par quatre fils d'alimentation ( 71 à 74) en mode supérieur ( 2 1 ou 3 1). 2 Installation d'antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que N 2 2 émetteurs radiateurs circulai- res sont prévus, le corps central étant conçu sous forme d'élément tournant à N-étages et en ce que les alésages intérieurs de l'élément radiateur circulaire sont remplis de façon précise. 3 Installation d'antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément radiateur à guide d'ondes à rubans ou à microbandes circulaire inférieur ( 12) et le système d'alimentation hybride ( 13) relié fermement à celui- ci en exécution à guide d'ondes à rubans ou à microbande utilisent le même substrat. 4 Installation d'antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'à la place d'une symétrie circulaire ou cylindrique des résonateurs ( 3, 6, 12) ou du corps central ( 8 à 10), il est prévu une symétrie axiale octogo- nale ou une autre symétrie axiale d'ordre huit pour le cas du mode ( 2 1) ou une symétrie d'ordre quatre perturbée pour l'élément radiateur de mode ( 1 1).