Brevet FR2721757A1 — publié le 19951229

La présente invention concerne une antenne destinée à être utilisée en émission ou en réception d'un rayonnement à polarisation horizontale et plus particulièrement, mais non exclusivement, une antenne destinée à équiper un répondeur radar maritime. On a proposé, pour la localisation en mer d'un objet ou d'un navire à repérer tel qu'une bouée ou une embarcation de survie, d'équiper cet objet ou ce navire d'un répondeur radar maritime. Ce dernier réagit, lorsqu'il capte le faisceau émis par un radar passant à sa portée, en émettant un signal pulsé qui se traduit sur l'écran du radar par un alignement de points, susceptible d'attirer immédiatement l'attention d'un opérateur surveillant l'écran, et permettant une localisation aisée. On se réfèrera utilement à la publication parue en Février 1992 dans la revue SAFETY AT SEA et intitulée "SART (Search And Rescue radar Transponder - what is it and who needs it ?)". L'antenne équipant un répondeur radar maritime doit être la plus omnidirectionnelle possible en azimut, de manière à détecter tout signal radar provenant d'une direction quelconque autour de l'antenne, et directionnelle en site car les signaux émis par un radar maritime à faisceau tournant sont en général bas sur l'horizon. Enfin, le rayonnement émis par un radar maritime est à polarisation horizontale, car c'est le type de polarisation qui convient le mieux en raison de la réflexion des signaux sur la surface de la mer. On a proposé, dans la publication française FR-2 674 689, une antenne destinée à équiper un répondeur radar maritime. Cette antenne est constituée par un substrat cylindrique en un matériau diélectrique, dont la paroi interne est revêtue d'une couche de métal pour former plan de masse et dont la paroi externe reçoit une pluralité d'éléments rayonnants, arrangés en sous-réseaux identiques parallèles entre eux et équidistants sur un périmètre du substrat. Une telle antenne n'offre pas entière satisfaction, principalement en raison de son coût élevé, car les réseaux sont réalisés sur un support souple qui est rapporté sur le substrat et l'on se heurte à une difficulté d'assemblage. En outre, le gain est relativement faible, en théorie égal à 4,5 dBi, et l'adaptation d'impédance de l'antenne est sensible à la précision de gravure des éléments rayonnants. La présente invention a pour objet de proposer une nouvelle antenne qui soit de construction plus simple et moins coûteuse que les antennes connues, qui présente un faible poids et un faible encombrement, et dont les performances quant au diagramme de rayonnement en azimut et facilité d'adaptation d'impédance sont améliorées. Conformément à l'invention, l'antenne se caractérise par le fait qu'elle comprend au moins deux ensembles d'éléments rayonnants, ces ensembles étant électriquement reliés en série et agencés à la manière d'un réseau sur un axe commun de façon à obtenir une directionnalité en site, chaque ensemble s'étendant généralement perpendiculairement à l'axe commun, pouvant s'inscrire dans un cercle dont le rayon est plus petit que la longueur d'onde du rayonnement, et comprenant en outre au moins deux éléments rayonnants électriquement reliés en parallèle et répartis angulairement autour dudit axe commun de manière à obtenir une omnidirectionnalité en azimut. Les éléments rayonnants peuvent être constitués par des dipôles ou des boucles. Chaque élément rayonnant d'un même ensemble est avantageusement réalisé par moitié sur chacune des faces principales d'une plaquette s'étendant sensiblement perpendiculairement audit axe commun. L'invention permet de tolérer une inclinaison de quelques degrés de la plaquette par rapport à un plan perpendiculaire audit axe commun, et les tolérances de fabrication des éléments rayonnants sont plus grandes que pour les antennes connues ; la fabrication de l'antenne n'est donc pas particulièrement délicate, contrairement aux antennes connues. Avantageusement, les plaquettes sont venues de formation dans une même pièce en matériau isolant avec une entretoise les réunissant. Les éléments rayonnants sont formés par dépôt de pistes électriquement conductrices sur cette pièce. En variante, les éléments rayonnants sont réalisés par gravure de plaquettes de circuit imprimé assemblées pour former l'antenne. Dans une réalisation préférée de l'invention, l'antenne comporte deux ensemble d'éléments rayonnants, chaque ensemble comprenant quatre dipôles agencés comme les côtés d'un carré. L'invention a encore pour objet un répondeur radar maritime équipé d'une antenne telle que précitée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de réalisation non limitatifs de l'invention, et à l'examen du dessin sur lequel - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une antenne conforme à un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un schéma électrique équivalent de l'antenne représentée sur la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale de l'antenne représentée sur la figure 1, - la figure 4 est une vue de face des plaquettes, dans la direction de la flèche IV de la figure 3, - la figure 5 illustre une première variante de réalisation des éléments rayonnants, - la figure 6 illustre une deuxième variante de réalisation des éléments rayonnants, - la figure 7 est une vue en perspective d'une réalisation de l'invention dans laquelle les plaquettes sont réalisées de formation, avec une entretoise les réunissant, dans une pièce en matériau isolant, et - la figure 8 est une vue d'ensemble et simplifiée d'un répondeur radar maritime équipé de l'antenne représentée sur la figure 1. L'antenne 100 conforme à la réalisation de l'invention représentée sur les figures 1 à 4 comporte un premier et un deuxième ensembles 10 et 10' d'éléments rayonnants. Ces ensembles 10 et 10' sont identiques et agencés le long d'un axe commun X, à orienter verticalement lors de l'utilisation de l'antenne 100 pour recevoir et émettre un rayonnement à polarisation horizontale. On ne décrira par la suite que le premier ensemble 10 d'éléments rayonnants, et on affectera d'un ' les références des éléments semblables du deuxième ensemble 10'. Le premier ensemble 10 comporte quatre dipôles 12 réalisés par gravure sur une plaquette 1 1 de circuit imprimé double face, s'étendant sensiblement perpendiculairement à l'axe X. Chaque dipôle 12 est réalisé par moitié sur chacune des faces principales 1 la et 1 lob de la plaquette 11. I1 est formé par la réunion, le long d'un bord de la plaquette 11, d'une première bande rectiligne conductrice 1 2a réalisée par gravure sur la face 1 la de la plaquette 1 1 et d'une deuxième bande rectiligne conductrice 12b réalisée par gravure sur la face principale opposée 1 lb de la plaquette 11, symétriquement de la première bande 12a par rapport à un plan contenant l'axe X et perpendiculaire au bord de la plaquette. Les bandes conductrices 12a, 1 2b s'étendent sur la majeure partie de la longueur du bord de la plaquette. Les dipôles sont pratiquement jointifs et espacés entre eux de moins de k/2, de sorte que l'on obtient un fort couplage. Les dipôles sont équirépartis angulairement autour de l'axe X et l'on peut engendrer tous les éléments rayonnants 12 à partir d'un seul d'entre eux, par rotations successives d'un angle ,/2 autour de l'axe X. Les dipôles 12 sont associés électriquement en parallèle par des lignes bifilaires.Chaque ligne bifilaire est constituée par deux pistes conductrices 13a et 13b s'étendant respectivement en regard l'une de l'autre dans le plan médian d'un dipôle sur les faces opposées 1 la et 1 lb, et reliant chacune une bande conductrice de ce dipôle à un anneau conducteur central. Les bandes 12a, 1 2b sont ainsi reliées respectivement à deux anneaux conducteurs centraux réalisés sur les faces 1 la et 1 lb et respectivement référencés 14a et l4b. Les anneaux conducteurs 14a et 14b relient chacun électriquement toutes les bandes conductrices réalisées sur une même face de la plaquette. Les bandes conductrices 1 2a de la plaquette 1 1 sont électriquement reliées à un premier tube rigide conducteur 16 s'étendant selon l'axe X, par soudure d'une extrémité 16a de ce tube 16 sur l'anneau conducteur central 14a. Ce tube 16 est muni à son autre extrémité 16b d'un connecteur 50 destiné à assurer à la fois la connexion électrique et la fixation de l'antenne. Un deuxième tube rigide conducteur 15 relie les anneaux conducteurs 14b et 14'a et sert d'entretoise, de longueur; pour réunir mécaniquement les plaquettes 1 1 et 11'.Un câble 18, constitué d'une âme conductrice et d'une gaine en matériau diélectrique, s'étend à l'intérieur des tubes 15 et 16, et traverse les plaquettes 1 1 et 11' à la faveur de perçages respectifs 17 et 17' centrés sur l'axe X. L'âme conductrice du câble 18 est soudée à une extrémité 1 8a à l'anneau central 14'a de la deuxième plaquette 11' et à l'autre extrémité 18b à une fiche centrale du connecteur 50 précité. Pour procéder à l'assemblage de l'antenne représentée sur les figures 1 et 3, on commence par insérer le câble 18 dans le premier tube 16 puis on l'enfile par son extrémité 1 8a dans le perçage 17 de la première plaquette 11. Ensuite, on enfile le deuxième tube 15 sur la portion de câble 18 s'étendant au-delà de la plaquette 1 1 à l'opposé du premier tube 16 et l'on soude les tubes 15 et 16 sur les anneaux centraux 14b et 14a. Enfin, on engage la plaquette 11' par le perçage 17', sur l'extrémité 18a du câble 18 s'étendant hors du tube 15. Enfin, on soude l'âme du câble à l'anneau 14'b et l'on soude l'anneau 14'a sur le tube 15. On a représenté sur la figure 2 le schéma électrique équivalent à l'antenne correspondant à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Les deux ensembles 10 et 10' d'éléments rayonnants sont électriquement reliés en série de sorte que l'impédance totale ZT de l'antenne, vue par le circuit électronique d'émission et de réception auquel elle est reliée par l'intermédiaire du connecteur 50, est égale à la somme des impédances Ze de chacun des ensembles d'éléments rayonnants. En choisissant l'impédance Ze de ces derniers égale à 25 ohms, on ramène l'impédance totale ZT à 50 ohms, ce qui est une valeur d'impédance habituellement rencontrée. Les dipôles rayonnants 12 de chaque ensemble étant alimentés en parallèle, en choisissant la somme des impédances Zd de ces derniers et celles Z1 des lignes bifilaires égale pour chaque dipôle à 100 ohms, l'impédance Ze résultant de l'association des quatre dipôles en parallèle est égale à 25 ohms.Pour obtenir précisément l'impédance de 100 ohms pour chaque élément rayonnant, on peut agir de façon connue en soi sur les paramètres physiques dont dépend l'impédance, par exemple la longueur des bandes conductrices 12a et 12b, leur largeur, l'épaisseur de la plaquette, la nature du matériau la constituant ou encore la largeur des lignes bifilaires 13a et 13b reliant les dipôles. Les deux ensembles 10, 10' sont décalés angulairement autour de l'axe X d'un angle égal à 453, de manière à obtenir les ondulations de gain de l'antenne, en fonction de l'angle d'azimut, les plus faibles possible. On obtient ainsi, dans l'exemple décrit, des fluctuations de gain inférieures ou égales à + 0,2 dB. La distance L entre les ensembles d'éléments rayonnants 10, 10' est avantageusement choisie pour obtenir un rayonnement en phase de ceux-ci. Par ailleurs, on obtient un gain élevé de l'antenne de l'ordre de 4 dBi, lorsque la distance entre les ensembles d'éléments rayonnants, mesurée le long de l'axe X, est égale à 0,7 fois environ la longueur d'onde X du rayonnement.En choisissant égale à 2 environ la constante diélectrique de la ligne formée par le câble 18 s'étendant à l'intérieur du deuxième tube 15, on obtient pour une distance L = 0,7 K, un rayonnement en phase des ensembles d'éléments rayonnants 10 et 10', et une largeur de lobe de 40 à 3dB, soit une variation de gain inférieure à 2 dB à t 12,5 . L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Chaque ensemble d'éléments rayonnants peut présenter un nombre différent d'éléments rayonnants, et la forme de ces derniers peut varier. On peut ainsi disposer les dipôles selon des arcs de cercle autour de l'axe X ou comme les côtés d'un polygone régulier. Les éléments rayonnants peuvent également être constitués non plus par des dipôles mais par des boucles. On a illustré sur la figure 5 un ensemble d'éléments rayonnants 20, constitués par quatre boucles 22 réalisées par gravure sur une plaquette 21 de circuit imprimé. Celles-ci sont formées chacune par la réunion d'une première demi-boucle 22a s'étendant sur une face de la plaquette 21 et d'une deuxième demi-boucle 22b s'étendant sur la face opposée de la plaquette 21, symétriquement de la première 22a par rapport à un plan médian contenant l'axe X. Les quatre boucles sont équiréparties angulairement autour de l'axe X et sont disposées à z/2 entre elles.Les deux demi-boucles 22a et 22b sont respectivement reliées électriquement à une extrémité à des anneaux conducteurs centraux formés sur les faces principales opposées de la plaquette 21 et sont connectées entre elles à l'autre extrémité par un trou métallisé 23. Chaque demi-boucle 22a ou 22b présente une portion rectiligne s'étendant suivant un rayon à partir d'un anneau conducteur central de la plaquette. Cette portion rectiligne se raccorde à son extrémité radialement externe à une extrémité d'une portion en arc de cercle autour de l'axe X, dont l'autre extrémité reçoit un trou métallisé 23. On peut encore réaliser chaque élément rayonnant sous la forme d'un symétriseur 40 connu en lui-même ( balun" en anglais). Ce symétriseur est réalisé par la gravure sur une face de la plaquette d'un U dont la concavité 42 est tournée du côté opposé à l'axe X et dont les branches 41 sont prolongées à leur extrémité libre par des portions rectilignes 42 s'étendant perpendiculairement aux branches en écartement l'une de l'autre. Le dos du U se raccorde à un anneau conducteur central sur une face de la plaquette. On réalise sur la face opposée une piste conductrice 44 ayant la forme d'un r et dont la jambe 45 est reliée à un autre anneau conducteur central. Les dimensions des différentes portions rectilignes du r et celles du U sont aisément déterminées par l'homme du métier en fonction de l'impédance souhaitée pour l'élément rayonnant 40. On peut avantageusement réaliser d'une seule pièce 80, par moulage ou usinage, les deux plaquettes et l'entretoise 81 les réunissant, comme représenté sur la figure 7. On évite ainsi les opérations d'assemblage des plaquettes 11 et 11' et du tube 15 décrites en référence à la figure 1. Les éléments rayonnants sont formés sur la pièce 80 par dépôt de pistes conductrices. La connexion en série des ensembles d'éléments rayonnants est réalisée par dépôt d'un revêtement conducteur sur l'entretoise 81. La pièce 80 est ajourée selon l'axe X pour le passage d'une âme conductrice reliée électriquement à une extrémité à l'anneau conducteur central 14b'. L'antenne selon l'invention équipe avantageusement un répondeur radar maritime représenté de façon simplifiée sur la figure 8. Les circuits électroniques 70 reliés à l'antenne 100 sont connus en eux-mêmes et ne seront pas décrits. Ils sont logés par exemple dans un compartiment inférieur 61 d'un boîtier 60,1'antenne 100 étant logée dans un compartiment supérieur 62. A titre indicatif, l'antenne décrite en référence aux figures 1 et 3 est utilisée dans la bande 9,2 - 9,5 GHz et admet pour un rapport d'ondes stationnaires restant inférieur ou égal à 1,5/1, une variation de fréquence de 5 % minimum. L'invention se généralise à un nombre quelconque N (supérieur ou égal à 2) d'ensembles d'éléments rayonnants, agencés sur un axe commun à la manière d'un réseau pour obtenir une directionnalité en site. Chaque ensemble d'éléments rayonnants comprend un nombre N' (supérieur ou égal à 2) d'éléments rayonnants répartis angulairement autour de l'axe X avec un angle o = 2.z/N' entre eux, et s'inscrit dans un cercle de rayon le plus faible possible devant X, de manière à avoir la meilleure omnidirectionnalité possible en azimut. De préférence, pour réduire les fluctuations de gain de l'antenne en azimut, les ensembles d'éléments rayonnants sont décalés angulairement, de proche en proche, de o/N autour de l'axe X. REVENDICATIONS 1/ Antenne (100) destinée à être utilisée en émission ou en réception d'un rayonnement à polarisation horizontale, omnidirectionnelle en azimut et directive en site, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux ensembles d'éléments rayonnants (10 ; 10') électriquement reliés en série et agencés sur le long d'un axe commun à la manière d'un réseau (X) de façon à obtenir une directionnalité en site, chacun desdits ensembles (10 10') s'étendant sensiblement perpendiculairement à l'axe commun, pouvant s inscrire dans un cercle dont le rayon est plus petit que la longueur d'onde (k) dudit rayonnement et comprenant en outre au moins deux éléments rayonnants électriquement reliés en parallèle (12 ; 12' ; 22 ; 40) et angulairement répartis autour dudit axe commun de manière à obtenir une omnidirectionnalité en azimut. 2/ Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits éléments rayonnants sont des dipôles (12 ; 12'). 3/ Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits éléments rayonnants sont des boucles (22). 4/ Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque élément rayonnant d'un même ensemble est réalisé par moitié sur chacune des faces principales d'une plaquette (11 ; 11'; 21) s'étendant sensiblement perpendiculairement audit axe commun. 5/ Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que les plaquettes sur lesquelles sont réalisés les ensembles d'éléments rayonnants sont formées dans une même pièce (80) en matériau isolant avec une entretoise (81) les réunissant, les éléments rayonnants étant formés par dépôt de pistes électriquement conductrices sur cette pièce. 6/ Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (12 ; 22) sont réalisés par gravure de plaquettes (11 11'; 21) de circuit imprimé. 7/ Antenne selon les revendications 2 et 6, caractérisée en ce que l'alimentation des dipôles se fait depuis le centre des plaquettes par des lignes bifilaires (13a, 13b ; 13'a, 13'b) réalisées par gravure avec les éléments rayonnants (12 12'). 8/ Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte deux ensembles d'éléments rayonnants (10 ; 10') comprenant chacun quatre dipôles (12) agencés comme les côtés d'un carré. 9/ Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les ensembles d'éléments rayonnants sont reliés par une ligne de longueur (L) et de constante diélectrique choisies de manière à obtenir un rayonnant en phase desdits ensembles d'éléments rayonnants. 10/ Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce que deux ensembles d'éléments rayonnants adjacents sont espacés sur ledit axe commun (X) d'environ 0,7 fois la longueur d'onde dudit rayonnement. 11/ Antenne selon l'une des revendications 1 à 10, les éléments rayonnants d'un même ensemble étant espacés entre eux angulairement d'un angle (0) autour de l'axe commun, le nombre de ces ensembles d'éléments rayonnants étant égal à N, caractérisée en ce que deux ensembles d'éléments rayonnants adjacents sont décalés angulairement autour dudit axe commun de o / N. 12/ Répondeur radar maritime équipé d'une antenne (100) selon l'une des revendications précédentes.