Brevet FR2702598A1 — publié le 19940916

L'invention concerne une antenne à bas profil pour équipement radio embarqué à fréquences multiples. Les équipements radio embarqués, et notamment ceux installés à bord des avions, demandent des antennes électriquement courtes. Ceci est dû au fait que l'antenne doit être installée sur le fuselage de l'avion et qu'elle doit, en conséquence, avoir des caractéristiques dimensionnelles constituant un bon compromis entre de bonnes performances de rayonnement, d'une part, et de bonnes caractéristiques aérodynamiques d'autre part. Il en est de même pour les systèmes portables tels que ceux que les pilotes conservent sur eux. De plus, une telle antenne doit avoir, comme tout équipement utilisé dans l'aviation, une moyenne de temps de bon fonctionnement et une fiabilité extrêmement élevée. L'antenne, objet de la présente invention, est destinée à travailler à des fréquences entre 100 et 500 MHz. Pour raccourcir électriquement une telle antenne, il est connu de diviser l'élément rayonnant de l'antenne en deux parties et de relier ces deux parties par un circuit oscillant parallèle résonnant à la fréquence de travail. I1 est également connu d'obtenir une antenne électriquement raccourcie et travaillant à plusieurs fréquences en divisant l'élément rayonnant en plusieurs parties et de relier chaque partie à la partie suivante par l'intermédiaire d'un circuit oscillant parallèle, chacun des circuits oscillants parallèles résonnant à une fréquence différente. Lorsque l'antenne ne comprend qu'un seul circuit résonnant, l'accord de cette antenne sur deux fréquences ou deux sous-bandes de fonctionnement est relativement facile. L'adaptation de l'antenne peut se faire à l'aide d'un ou de deux circuits complémentaires. Par contre, lorsque l'antenne comprend deux circuits résonnants ou plus, l'adaptation de l'antenne devient très difficile, sinon impossible, et il en résulte des pertes de rayonnement importantes du fait de l'augmentation du nombre de circuits de compensation. Une des applications importantes auxquelles sont destinées les antennes à bas profil pour équipement radio embarqué à frequences multiples est l'utilisation pour des équipements de détresse. Ces équipements doivent pouvoir émettre des signaux à des fréquences différentes. Actuellement les fréquences attribuées sont 121,5 MHz, 243 MHz et 406 MHz. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités. Le but de l'invention est également de proposer une antenne à bas profil pour équipement radio embarqué à fréquences multiples, permettant d'obtenir avec un minimum de composants une antenne de hauteur réduite sans qu'il y ait altération des caractéristiques de rayonnement comparée à l'antenne à quart d'onde de référence accordée à plusieurs fréquences. Un autre but de l'invention est d'obtenir une antenne dont la moyenne de temps de bon fonctionnement, connue sous le vocable de MTBF (mean time between failures) est très élevée. En général, une MTBF supérieure à 50.000 heures est demandée. Le but de l'invention est atteint par une antenne à bas profil pour équipement radio embarqué à fréquences multiples, comprenant un élément rayonnant au moins partiellement rectiligne suivant un axe longitudinal et ayant deux extrémités dont l'une est destinée à être reliée à l'équipement radio, l'élément rayonnant étant interrompu à un point de son axe longitudinal de sorte à former deux parties. Conformément à l'invention, les deux parties de l'élément rayonnant sont reliées entre elles électriquement par l'intermédiaire de deux cavités disposées tête-bêche, dont chacune comprend une électrode extérieure reliée à l'une des parties de l'élément rayonnant et une électrode centrale reliant les deux cavités coaxiales entre elles. Ainsi, on introduit, en un seul point d'un élément rayonnant, une impédance composite série somme de deux impédances évolutives élémentaires selfique ou capacitive dont la résultante est une grandeur réactive selfique, capacitive ou résonnante variable selon la fréquence à laquelle l'élément rayonnant travaille. Cette disposition permet de donner à l'élément rayonnant des caractéristiques techniques, et plus particulièrement des longueurs électriques, différentes selon la fréquence à laquelle l'antenne travaille. En même temps, cette disposition est obtenue avec un nombre minimal d'éléments constituant l'antenne et, notamment, avec des éléments qui permettent une conception plate et donc aérodynamiquement avantageuse de l'antenne. L'invention concerne également les caractéristiques ciaprès considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - L'élément rayonnant est réalisé sous forme d'un circuit imprimé. - L'élément rayonnant est réalisé sous forme d'un circuit imprimé à double face, gravé à l'identique sur les deux faces d'un support, chaque face portant deux pistes conductrices représentant les deux parties de l'élément rayonnant, chaque piste d'une face étant reliée électriquement à la piste identique de l'autre face. Cette disposition constitue un mode de réalisation préféré de l'antenne, telle qu'elle sera décrite plus en détail plus loin. Plus particulièrement, cette disposition permet une fabrication peu coûteuse de l'antenne elle-même et une réalisation simple et répondant aux exigences requises pour tout matériel avionique. - Les deux cavités sont réalisées sous forme de cavités coaxiales. - Les cavités coaxiales sont montées sur la même face du support, chacune des cavités étant disposée le long de, et fixée sur, une partie correspondante de l'élément rayonnant. - Les deux cavités sont réalisées sous forme de circuits stripline. Cette disposition permet de mieux exploiter la réalisation de l'élément rayonnant en circuit imprimé. - L'élément rayonnant est relié à un plan réflecteur par l'intermédiaire d'un circuit d'admittance. - Le circuit d'admittance est réalisé sous forme d'une cavité coaxiale. Cette disposition permet d'adapter l'antenne au plan réflecteur, constitué par le fuselage de l'avion sur lequel l'antenne est installée, avec des moyens répondant aux mêmes critères de fiabilité et de facilité d'utilisation que les éléments constituant l'antenne elle-même. - L'antenne est placée dans un radôme de protection. - L'antenne est fixée à l'intérieur du radôme par une mousse à cellules fermées et stabilisée en température. - La hauteur de l'antenne est de l'ordre de 25 cm. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description d'un exemple de réalisation fait en référence aux figures du dessin. Dans ce dessin: La Figure 1 montre le principe d'une antenne à bas profil conforme à l'invention. La Figure 2 montre en trois schémas A, B et C, de manière schématisée, le comportement électrique de l'antenne de la Figure 1 à trois fréquences de travail différentes. La Figure 3 montre un exemple de réalisation de l'antenne selon l'invention. La Figure 4 montre une variante de réalisation de l'antenne de la Figure 3. La Figure I montre le principe d'une antenne à bas profil pour équipement radio embarqué à fréquences multiples, conforme à l'invention. L'antenne, qui est référencée dans son ensemble en 1, comprend un élément rayonnant 2 rectiligne suivant un axe longitudinal A. L'élément rayonnant 2 a deux extrémités 3 et 4 dont l'extrémité supérieure 3 constitue une extrémité libre alors que l'extrémité inférieure 4 est destinée à être reliée à l'équipement radio (non représenté). L'élément rayonnant 2 est interrompu en un point B de son axe longitudinal A, de façon à former une partie supérieure 5 et une partie inférieure 6 de l'élément rayonnant. La partie supérieure 5 et la partie inférieure 6 de l'élément rayonnant 2 sont reliées entre elles électriquement par l'intermédiaire d'une première cavité coaxiale 7 et une deuxième cavité coaxiale 8. La première cavité coaxiale 7 comprend une électrode extérieure 9 et une électrode centrale 10. De la même façon, la deuxième cavité coaxiale 8 comprend une électrode extérieure 11 et une électrode centrale 12. Alors que la première cavité coaxiale 7 est reliée par son électrode extérieure 9 à la partie supérieure 5 de l'élément rayonnant 2, la deuxième cavité coaxiale 8 est reliée, par son électrode extérieure 11, à la partie inférieure 6 de l'élément rayonnant 2. Les deux électrodes centrales 10 et 12 sont reliées entre elles et relient, par ce moyen, les deux cavités 7 et 8 entre elles. L'antenne 1 est montée sur un plan de réflexion R, habituellement constitué par le fuselage d'un avion. Pour permettre l'adaptation de l'antenne 1 aux caractéristiques électriques du plan de réflexion R, une admittance d'adaptation 13 est disposée, en série avec l'antenne 1, entre l'extrémité inférieure 4 de l'antenne 1 et le plan de réflexion R. Plus particulièrement, l'admittance d'adaptation 13, qui est reliée à l'extrémité inférieure 4 de l'antenne 1, assure à la fois l'adaptation de l'antenne à 50 Ohm aux trois fréquences, le rôle d'un déperditeur de charge statique est la continuité de masse entre l'élément rayonnant et le plan de réflexion. Les dimensions physiques des différents éléments qui constituent l'antenne, dépendent essentiellement des fréquences de fonctionnement. La longueur de l'élément rayonnant 2 est 1(1) + 1(2) = 0,16 t(B)' (B) étant la longueur d'onde à 121,5 MHz. La longueur de la partie inférieure 6, 1(2) est environ 0,2 i /t(H) ot(H) étant la longueur d'onde à 406 MHz. Conformément au comportement électrique d'une cavité coaxiale, l'antenne 1 a un comportement différent selon la fréquence à laquelle elle travaille. La Figure 2 montre en trois schémas a, b et c le comportement de l'antenne 1 à trois fréquences différentes. La Figure 2a montre le comportement électrique de l'antenne 1 à la fréquence de 121,5 MHz. A cette fréquence, les deux parties 5 et 6 de l'élément rayonnant 2 sont reliées entre elles par les cavités 7 et 8 qui se comportent comme un élément selfique référencé en (7 + 8)L. La Figure 2b montre le comportement de l'élément rayonnant 2 à une fréquence de 243 MHz. Les deux parties 5 et 6 de l'élément rayonnant 2 sont reliées entre elles par les cavités 7 et 8 qui se comportent comme un élément capacitif, référencé en (7 + 8)c. La Figure 2c montre le comportement de l'élément rayonnant 2 à la fréquence de 406 MHz. A cette fréquence, les cavités 7 et 8 sont en résonnance et interrompent alors la liaison entre les parties 5 et 6 de l'élément rayonnant 2. En conséquence, l'élément rayonnant 2 se trouve électriquement réduit à la partie 6. La Figure 3 montre un exemple de réalisation d'une antenne à bas profil selon l'invention. Dans cette figure, les éléments ayant la même fonction que ceux décrits auparavant, portent les mêmes numéros de référence. L'antenne 1 comporte un élément rayonnant 2 formé en deux parties 5 et 6. Chacune de ces deux parties est réalisée sous forme d'une piste conductrice comparable à un circuit imprimé. Les deux parties 5 et 6 sont imprimées sur un support 21 connu en soi des circuits imprimés. Plus particulièrement, l'élément rayonnant 2 est réalisé sous forme de paires de pistes conductrices constituant un circuit imprimé à double face gravé sur les deux faces 21A et 21B du support 21. La ' Figure 3 montre seulement l'une des deux pistes formant la partie supérieure 5 de l'élément rayonnant 2 et l'une des deux pistes formant la partie inférieure 6 de l'élément rayonnant 2. Les pistes correspondantes, ou deuxièmes pistes, de chacune des paires de pistes conductrices constituant les parties supérieure 5 et inférieure 6 sont gravées à l'identique sur la face 21B opposée du support 21. Chacune des pistes est reliée électriquement à la piste identique par des rivets 22. La cavité 7 de l'antenne 1 est disposée le long de la partie supérieure 5 et fixée sur elle par des points de soudure. La cavité coaxiale 8 est repliée en U et disposée sur la partie inférieure 6 de l'élément rayonnant 2 et fixée sur elle par des points de soudure. Les deux cavités coaxiales 7 et 8 sont alignées l'une par rapport à l'autre au voisinage de leur liaison de manière à pouvoir relier les deux électrodes centrales correspondantes 10 et 12 à la distance la plus courte. Les extrémités libres des deux cavités coaxiales 7 et 8 référencées en 23 et 24, sont fermées par court-circuit. La partie supérieure 5 de l'élément 2 est repliée pour suivre une partie de la bordure du support 21. Ceci est fait pour éviter une trop grande hauteur h de l'antenne au-dessus du fuselage de l'avion sur lequel elle est installée. Le fuselage de l'avion est référencé en R puisqu'il constitue le plan de réflexion de l'antenne. La hauteur h est de l'ordre de 25 cm. Pour permettre la liaison entre l'antenne 1 et l'équipement radio (non représenté), un connecteur 25 est disposé dans une embase 26 de l'antenne. L'embase 26 par rapport à laquelle le support 21 définit un plan sensiblement perpendiculaire, est destinée à recevoir un radôme de protection 27 dans lequel l'antenne 1 est placée. En même temps, l'embase 26 sert à fixer l'ensemble de l'antenne 1 avec le radôme 27 sur le fuselage de l'avion R. Par ailleurs, l'admittance d'adaptation 13, réalisée sous forme d'un câble microcoaxial 50 Ohm, est disposée sur l'embase 26 et raccordée à une de ses extrémités au connecteur 25. La fixation de l'ensemble antenne 6 et radôme 27 sur le fuselage R est réalisée par l'intermédiaire de deux ensembles boulons/écrous, référencés en 28 et 29. Le support 21 comporte trois évidements 30, 31 et 32 permettant une stabilisation mécanique du support à l'intérieur du radôme par une mousse à cellules fermées, stabilisée en température dont le radôme 27 est rempli après insertion du support 21 muni de l'antenne l. La Figure 4 montre une variante du mode de réalisation de l'antenne selon l'invention présentée sur la Figure 3. Dans cette variante, les cavités sont réalisées sous forme de circuits stripline 7A et 8A avec un conducteur central 40 inséré dans le support 21 de l'antenne 1, sensiblement à mi-épaisseur du support. En effet, le conducteur central 40 est disposé entre les pistes 5A et 5B ainsi que 6A et 6B des parties correspondantes 5 et 6 de l'élément rayonnant 2, dans un plan sensiblement parallèle à l'étendue de ces pistes gravées sur les faces 21A et 21B du support 21 et à distance transversale égale d'elles. Cette disposition permet d'utiliser les portions correspondantes des pistes 5A, 5B, 6A et 6B en même temps comme conducteurs extérieurs des cavités 7A et 8A. Le support 21 peut être formé par deux supports superposés-et solidarisés 21C et 21D. La liaison électrique entre le conducteur central 40 et les parties 5 et 6 de l'élément rayonnant 2 est réalisée à l'aide de rivets métalliques 41 et 42 traversant entièrement Figures 4b et 4c montrent les coupes transversales A-A et B-B indiquées dans la Figure 4a. Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières, et n'en limitent aucunement la portée. REVENDICATIONS 1. Antenne à bas profil pour équipement radio embarqué à fréquences multiples, comprenant un élément rayonnant (2) au moins partiellement rectiligne suivant un axe longitudinal (A) et ayant deux extrémités (3, 4) dont l'une (4) est destinée à être reliée à l'équipement radio, l'élément rayonnant (2) étant interrompu à un point (B) de son axe longitudinal (A) de sorte à former deux parties (5, 6), l'antenne étant caractérisée en ce que les deux parties (5,6), de l'élément rayonnant (2) sont reliées entre elles électriquement par l'intermédiaire de deux cavités (7, 8) disposées tête-bêche dont chacune comprend une électrode extérieure (9, 11) reliée à l'une des parties (5, 6) de l'élément rayonnant (2) et une électrode centrale (10, 12) reliant les deux cavités coaxiales (7, 8) entre elles. 2. Antenne selon la revendication I, caractérisée en ce que l'élément rayonnant (2) est réalisé sous forme d'un circuit imprimé. 3. Antenne selon la revendication l, caractérisée en ce que l'élément rayonnant (2) est réalisé sous forme d'un circuit imprimé à double face (21), gravé à l'identique sur les deux faces (21A, 21B) d'un support, chaque face (21A, 21B) portant deux pistes conductrices (5A, 5B; 6A, 6B) représentant les deux parties (5, 6) de l'élément rayonnant (2), chaque piste (5A, 6A) d'une face (21A) étant reliée électriquement à la piste identique (5B, 6B) de l'autre face (21B). 4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les deux cavités (7, 8) sont réalisées sous forme de cavités coaxiales. 5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que les deux cavités coaxiales (7, 8) sont montées sur la même face (21A) du support (21), chacune des cavités étant disposée le long de, et fixée sur, une partie correspondante (5, 6) de l'élément rayonnant (2). 6. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les deux cavités sont réalisées sous forme de circuits stripline (7A, 8A). 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'élément rayonnant (2) est relié à un plan réflecteur (R) par l'intermédiaire d'un circuit d'admittance (13). 8. Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce que le circuit d'admittance (13) est réalisé sous forme d'une cavité coaxiale. 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications l à 8, caractérisée en ce qu'elle est placée dans un radôme de protection (26). 10. Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle est fixée à l'intérieur du radôme (27) par une mousse à cellules fermées et stabilisée en température. 11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que sa hauteur (h) est de l'ordre de 25 cm.