Brevet FR2781607A1 — publié le 20000128

La présente invention concerne une antenne intégrée et, plus précisément, elle concerne un système d'antenne à double mode. On a proposé, dans la technique antérieure, des antennes pour satellites et des antennes terrestres, ainsi que des intégrations de ces deux types d'antenne. On se réfère initialement à la technique connue des antennes pour satellites; une hélice quadrifilaire est connue depuis plu- sieurs années. Cette antenne comporte quatre enroulements en hélice alimentés en quadrature de phase. Cette disposition donne plusieurs caractéristiques particulièrement bien adaptées aux communications par satellites, y compris un diagramme omnidirectionnel hémisphérique de rayonnement ayant une excellente polarisation circulaire dans tout le diagramme de rayonnement ainsi qu'un faible encombrement et une grande simplicité de structure. Pour les communications terrestres mobiles, il existe la même condition omnidirectionnelle, mais le diagramme de rayonnement doit être omnidirectionnel seulement vers l'horizon étant donné les contraintes imposées aux commu- nications terrestres et dues à la position de l'utilisateur par rapport aux stations de base. La disposition la plus courante dans la technique est l'antenne unipolaire comprenant un simple fil placé au-dessus d'un plan de masse. Les réalisations plus contemporaines d'antennes ont incorporé des systèmes à double mode. Ces systèmes comportent des antennes pour satellites et terrestres. Ces systèmes posent des problèmes importants de conception, surtout pour l'isolement entre les deux antennes, l'obstruc- tion au minimum des signaux, et un faible encombrement. Les systèmes connus concernent la solution des pro- blèmes de conception par simple disposition d'une antenne pour satellite et d'une antenne terrestre à une distance minimale afin que les conditions d'isolement et d'obstruc- tion soient remplies. Bien que ce principe soit utile de façon générale, pour que les performances les plus avanta- geuses soient obtenues, il a fallu une séparation importante entre les antennes. Cette disposition n'a pas résolu le problème du faible encombrement et a même compromis 1 'obten- tion du faible encombrement nécessaire. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 5 600 341 délivré le 4 février 1997 à Thill et al. décrit une struc- ture d'antenne à double fonction destinée à émettre et recevoir dans un premier et un second mode. L'appareil décrit dans ce brevet des Etats-Unis d'Amérique est une simple antenne à double fréquence, contrairement à une antenne double à double mode. Ainsi, dans la description de ce brevet de Thill et al., rien n'indique le positionnement simultané de deux antennes sépa- rées, si bien que les problèmes rencontrés lorsqu'on essaie de placer deux antennes à proximité n'ont été ni reconnus ni décrits. La structure forme deux points d'alimentation pour deux champs, mais reste une antenne unique à double fréquence. Cette disposition ne concerne aucunement les complications propres à la mise au même emplacement de deux antennes, par exemple l'effet de cage du signal d'une antenne qui empêche la communication avec 1 'antenne ayant la même position. Une autre technique antérieure relative à l'invention est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 959 657 délivré à Mochizuki le 25 septembre 1990. Ce document décrit une antenne omnidirectionnelle possédant un réflecteur. Il n'indique nullement l'isolement d'une antenne unipolaire et d'une antenne quadrifilaire, si bien que ce document décrit simplement une variante de ce qui est déjà connu dans la technique. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 5 657 792 délivré le 22 juillet 1997 à Moore et al. décrit une combi- naison d'antennes GPS et VEF. L'antenne combinée forme une antenne quadrifilaire ou à volute avec un monopole. Bien que les éléments soient incorporés, les deux antennes ne sont pas positionnées au même endroit et, évidemment, ceci ne contribue pas au faible encombrement de l'antenne. La simple combinaison de deux antennes connues placées à distance ne pose pas de problèmes d'interférences. D'après l'étude de ce document, il est manifeste que ce document de Moore et al. n'a pas reconnu la valeur de l'incorporation d'un système à deux antennes à un même emplacement. L'invention a pour objet de supprimer totalement les restrictions imposées dans la technique antérieure, et elle concerne un système d'antenne à double mode ayant des performances exceptionnelles dans un système de faible encombrement. La présente invention a pour objet la mise à dispo- sition d'un système d'antenne perfectionné à double mode. La présente invention a aussi pour objet la réalisation d'une antenne intégrée qui comporte une antenne quadrifi- laire et une antenne unipolaire positionnée dans l'antenne quadrifilaire, les antennes étant indépendantes. Les difficultés d'isolement propres aux ensembles de la technique antérieure ne posent aucun problème dans le système selon l'invention, d'une manière avantageuse. Etant donné que l'antenne unipolaire a une racine du champ au centre, les interférences créées sur le signal unipolaire ou l'arrêt de ce signal ne se produisent pas, si bien que les antennes peuvent travailler comme si elles étaient totale- ment isolées. Cette caractéristique facilite le position- nement des antennes au même emplacement, sans perte de performances. L'invention concerne aussi un procédé de formation d'une antenne intégrée à double mode qui comprend la dispo- sition d'une antenne quadrifilaire destinée à l'émission- réception de champs polarisés circulairement, la disposition d'une antenne unipolaire destinée à l'émission-réception de champs polarises linéairement, le positionnement au même emplacement de l'antenne unipolaire à l'intérieur de l'antenne quadrifilaire et indépendamment de celle-ci, et le couplage de phase de l'antenne unipolaire et de l'antenne quadrifilaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexes sur lesquels: la figure i est une représentation schématique d'une antenne à double mode de la technique antérieure; la figure 2 est une vue en élévation de l'antenne dans un mode de réalisation de l'invention; la figure 2A est une coupe de la figure 2; la figure 3 est un graphique représentant les pertes au retour de l'hélice quadrifilaire; la figure 4 est un graphique représentant la variation des performances de rayonnement de l'antenne quadrifilaire à plan de masse; la figure 5 est un graphique représentant la variation des pertes au retour de l'antenne unipolaire; la figure 6 es un graphique représentant la coupure en élévation de l'antenne unipolaire; la figure 7 est un graphique représentant le balayage en azimut sur 360 de l'antenne unipolaire à une élévation de 0 ; et la figure 8 est un graphique représentant l'isolement en fréquence entre les deux voies d'antenne. Sur les diverses figures, les références numériques identiques désignent des éléments analogues. On se réfère maintenant aux dessins; la figure 1 représente un système classique d'antenne à double mode qui comporte une antenne cylindrique quadrifilaire 10 placée à distance d'une antenne unipolaire 12. Les antennes sont montées sur un plan de masse 14 et sont séparées par une distance B destinée à assurer l'isolement et la réduction au minimum de l'obstruction des signaux. La figure 2 représente un exemple de système d'antenne dans un premier mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation représenté, l'antenne unipolaire 12 est placée au centre (coaxialement) de l'antenne quadrifilaire 10. Un condensateur et une patte de mise à la masse, désignés globalement par la référence 18, sont incorporés. Une connexion 20 de l'antenne quadrifilaire est destinée à assurer la connexion à une source extérieure (non repré- sentée). Une connexion analogue 22 est utilisée pour l'antenne unipolaire 12. Une entretoise 24 peut être placée sous le plan de masse 14 pour augmenter la résistance mécanique du système. L'antenne quadrifilaire cylindrique n'a pas de racine de son champ placée au centre. Le dia- gramme du champ de l'antenne quadrifilaire est formé par ses enroulements 16. Comme indiqué précédemment, cette disposi- tion réduit notablement l'effet sur les performances de la présence de l'antenne unipolaire 12. Si le plan de fréquence du système à double mode est tel qu'une fréquence de commu- nication par satellite est approximativement un multiple pair de la fréquence des communications terrestres, l'antenne unipolaire 12 présente une impédance élevée qui augmente encore l'isolement des deux antennes 10 et 12. La figure 2A représente une coupe de l'antenne dans laquelle un matériau de mousse rigide 17 est placé entre l'antenne quadrifilaire, à la surface interne, et l'antenne unipolaire 12. Comme représenté, l'antenne unipolaire 12 est totalement entourée par le matériau 17. Lorsque la rigidité de l'unité globale d'antenne n'est pas nécessaire, la mousse rigide peut être facilement remplacée par une mousse semi- rigide ou non rigide. Des exemples qui conviennent pour le matériau de la mousse sont une mousse de polyuréthanne, le polystyrène, une mousse de chlorure de polyvinyle, etc. L'antenne quadrifilaire représentée sur la figure 2 comporte quatre enroulements qui forment un angle de 450 avec l'antenne unipolaire. On a constaté qu'une disposition à 45 donnait les résultats les plus efficaces mais, pour une disposition d'enroulement comprise entre 36 et 48 , on peut obtenir des résultats convenables. Les enroulements de l'antenne quadrifilaire sont montés sur un cylindre polymère tel qu'indiqué sur les figures 2 et 2A. Le polymère étant choisi parmi de nombreux polymères convenables, par exemple les polymères "Kapton", "Mylar", etc. De manière connue, les enroulements 16 de l'antenne quadrifilaire peuvent interférer avec le diagramme rayonné par l'antenne unipolaire 12 dans l'espace ou peuvent arrêter autrement ce diagramme. L'invention présente l'avantage de permettre une réduction au minimum de l'effet de "cage". Ce résultat est obtenu par positionnement sélectif des enroulements 16 de l'antenne quadrifilaire 10. On a constaté que cette caractéristique était importante car si l'angle des enroulements est trop grand, il apparait un effet de cage sur l'antenne unipolaire 12. Des complications appa- raissent sous forme de la dégradation du diagramme de rayonnement ainsi que de l'adaptation d'impédance d'entrée. Si le pas des enroulements 16 n'est pas suffisamment grand, les enroulements 16 sont tres proches et provoquent la formation d'un mur électrique qui arrête le rayonnement de la partie inférieure de l'antenne unipolaire 12. On a constaté qu'un pas d'enroulement correspondant à une incli- naison de 45 donnait d'excellents résultats. Etant donné que le couplage de l'antenne unipolaire 12 avec les enroulements 16 de l'antenne quadrifilaire 10 est en phase, la nature du réseau d'alimentation en quadrature est telle que l'antenne quadrifilaire est en avance pour assurer une compensation de la phase de l'énergie couplée. Cette disposition contribue à un isolement important de la fréquence de fonctionnement terrestre. Sur les figures, les fréquences nominales étaient les suivantes: Réception par satellite: 1 525-1 575,42 MHz Emission par satellite: 1 610-1 660,5 MHz Réception terrestre: 806-825 MHz Emission terrestre: 851-870 MHz. Les figures 3 à 8 indiquent les performances obtenues selon l'invention. Ces résultats ont été obtenus avec les enroulements d'antenne quadrifilaire formant un angle de 45 comme indiqué dans le présent mémoire. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux antennes et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Antenne intégrée à double mode, caractérisée en ce qu'elle comprend: une antenne quadrifilaire (10), et une antenne unipolaire (12) disposée dans l'antenne quadrifilaire (10), les antennes étant indépendantes. 2. Antenne intégrée selon la revendication 1, carac- térisée en ce que l'antenne quadrifilaire (10) a plusieurs enroulements (16). 3. Antenne intégrée selon la revendication 2, carac- térisée en ce que les enroulements (16) sont espacés. 4. Antenne intégrée selon la revendication 3, carac- térisée en ce que les enroulements (16) forment un angle de 450 avec l'antenne unipolaire (12). 5. Antenne intégrée selon la revendication 1, carac- térisée en ce que l'antenne unipolaire (12) est positionnée coaxialement dans l'antenne quadrifilaire (10). 6. Antenne intégrée selon la revendication 2, carac- térisée en ce que les enroulements (16) de l'antenne quadrifilaire (10) sont montés sur un cylindre polymère. 7. Antenne intégrée selon la revendication 1, carac- térisée en ce qu'une mousse polymère (17) est placée entre l'antenne quadrifilaire (10) et l'antenne unipolaire (12). 8. Antenne intégrée selon la revendication 7, carac- térisée en ce que la mousse polymère (17) entoure l'antenne unipolaire (12). 9. Antenne intégrée selon la revendication 2, carac- térisée en ce que l'antenne quadrifilaire (10) comporte quatre enroulements (16). 10. Antenne intégrée selon la revendication 1, carac- térisée en ce que le couplage de l'antenne unipolaire (12) à l'antenne quadrifilaire (10) est en phase. 11. Antenne intégrée selon la revendication 1, carac- térisée en ce que l'antenne quadrifilaire (10) assure l'émission et la réception de champs polarisés circulaire- ment, et l'antenne unipolaire (12) assure l'émission et la réception de champs polarisés linéairement, indépendamment de l'antenne quadrifilaire (10). 12. Antenne intégrée selon la revendication 2, carac- térisée en ce que les enroulements (16) sont équidistants. 13. Procédé de formation d'une antenne intégrée à double mode, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: la disposition d'une antenne quadrifilaire (10) desti- née à émettre et recevoir des champs polarisés circulai- rement, la disposition d'une antenne unipolaire (12) destinée à émettre et recevoir des champs polarisés linéairement, le positionnement de l'antenne unipolaire (12) dans l'antenne quadrifilaire (10) et indépendamment de l'antenne quadrifilaire (10) au même emplacement, et le couplage de phase de l'antenne unipolaire (12) à l'antenne quadrifilaire (10). 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de positionnement d'un matériau de mousse polymère rigide (17) entre l'antenne unipolaire (12) et l'antenne quadrifilaire (10). 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la mousse polymère (17) entoure totalement l'antenne unipolaire (12).