Brevet FR2814593A1 — publié le 20020329

La présente invention concerne une antenne de télécommunications. L'invention s'applique par exemple pour des communications entre aéronefs. Il est connu de réaliser des antennes destinées aux télécommunications entre avions. Ces antennes, généralement à base de ferrites, sont néanmoins compliquées à fabriquer. Il est aussi connu d'utiliser des lentilles de Luneberg. Cependant, les antennes possèdent alors un faible rendement du fait des fortes pertes diélectriques entraînées par la lentille de Luneberg. Il est aussi connu de réaliser une antenne avec une lentille géodésique. Une telle antenne est notamment décrite dans l'article Beam Elevation Positionning in Geodesic Lens-R. C. Rudduck, C. E. Ryan and C. H. Walter - IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, November 1964 . Une antenne de ce type a néanmoins l'inconvénient de présenter un faisceau étroit. Par ailleurs, elle présente un encombrement important, et notamment une forte hauteur, du fait de la forme en cloche de la lentille. Un tel encombrement peut être gênant pour des applications aéroportées. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne comportant au moins une lentille géodésique et un réseau de sources hyperfréquence, chaque source hyperfréquence du réseau émettant, ou recevant, son rayonnement dans la lentille vers le, ou du, secteur angulaire qui lui est diamétralement opposé. Le réseau peut recouvrir le contour de la lentille sur un secteur angulaire p inférieur à 1800. Avantageusement, afin notamment de dépointer le faisceau d'antenne dans un plan perpendiculaire au plan contenant le contour de la lentille, le réseau de sources peut aussi être placé à l'intérieur de la lentille à une distance d de son axe de symétrie inférieure au rayon R de la lentille, une entaille circulaire étant par exemple prévue dans la lentille pour accueillir le réseau. L'antenne peut comporter plusieurs lentilles géodésiques superposées, équipées de leur réseau de sources selon l'un ou l'autre des modes de réalisation précédents, ou les deux à la fois. En décalant angulairement deux réseaux de sources superposés d'un angle inférieur au pas entre deux sources, on améliore le recouvrement des faisceaux élémentaires obtenus à partir des sources. L'association des faisceaux élémentaires décalés issus des lentilles superposées permet d'obtenir une couverture globale sans variation importante du gain. De même, en effectuant un décalage radial de deux réseaux superposés, on oriente les faisceaux dans des directions choisies, identiques ou différentes, dans un plan perpendiculaire au plan du contour de la lentille. Avantageusement, pour diminuer notamment sa hauteur, la lentille présente par exemple deux sommets, ou plus, symétriques par rapport à son axe de symétrie, dans une vue en coupe passant par cet axe. Par ailleurs, la forme continue des sommets sans discontinuité, c'est-à-dire notamment sans points de rebroussement, permet de minimiser les désadaptations et ainsi d'élargir la bande de fonctionnement. L'invention a notamment pour principaux avantages qu'elle permet une mise en oeuvre simple de l'antenne, que cette dernière possède un bon rendement énergétique, qu'elle est peu sensible aux tolérances ou aux erreurs, qu'elle présente un faible encombrement, notamment en ayant une forme plate, et qu'elle permet d'orienter facilement le faisceau d'antenne dans une direction déterminée, dans son plan et/ou dans une direction perpendiculaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - Les figures 1a et 1b, un exemple de réalisation possible d'une antenne selon l'invention ; La figure 2, une illustration du recouvrement de deux faisceaux élémentaires issus de deux sources élémentaires placées côte à côte ; Les figures 3a, 3b et 3c, un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention permettant d'améliorer le recouvrement des faisceaux élémentaires ; Les figures 4a et 4b, un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention permettant de dépointer son faisceau ; La figure 5, un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention permettant d'élargir son faisceau ; Les figures 6a et 6b, des exemples de réalisation d'une lentille géodésique utilisée dans une antenne selon l'invention, permettant notamment d'obtenir une antenne de faible encombrement en hauteur. La figure 1 présente un premier mode de réalisation possible d'une antenne selon l'invention. Sa structure étant sensiblement à symétrie de révolution, la figure 1a présente une vue en coupe selon l'axe de symétrie 9, la figure 1 b présentant une vue de dessus. L'antenne comporte au moins une lentille géodésique 1 et un réseau de sources hyperfréquence élémentaires 2. Ce réseau recouvre le contour de la lentille sur un secteur angulaire p inférieur à 1800. Il émet son rayonnement à l'intérieur de la lentille, vers le secteur angulaire diamétralement opposé. A titre d'exemple, on considère que la lentille géodésique est horizontale, c'est-à-dire que son axe de symétrie 9 est vertical et que le plan 10 comportant sa base est horizontal. Les sources élémentaires peuvent être réalisées par tous moyens connus. En particulier, le réseau 2 peut être constitué d'éléments rayonnant du type microruban. Les sources élémentaires peuvent être émettrices ou réceptrices, ou émettrices et réceptrices. La lentille géodésique 1 illustrée par les figures 1a et 1b est à symétrie de révolution, en forme de cloche aplatie. Plus particulièrement, le profil de la lentille illustré par la figure 1a est courbe et symétrique par rapport à l'axe 9. Le contour, ou face latérale 8, de la lentille est par exemple parallèle à cet axe de symétrie 9. L'écartement entre les parois conductrices supérieure et inférieure de la lentille, et la nature du matériau entre ces parois sont notamment choisis pour permettre la propagation des ondes en mode TEM. La figure 1 a présente un exemple de faisceau élémentaire d'antenne 4 dans un plan vertical passant par l'axe de symétrie 9. Le faisceau d'antenne 4 est représenté suivant la convention habituelle, par le gain dans une direction relatif à une émission isotropique, rapporté au centre de l'antenne. Comme le montre la figure 1b, ce faisceau élémentaire 4 est créé à partir du rayonnement émis par une source élémentaire 3 du réseau 2. Ce rayonnement se propage à l'intérieur de la lentille de telle façon que ce rayonnement sort de cette lentille parallèle au diamètre 11 passant par la source élémentaire 3 et formant une onde plane 12. La dimension de la source 3 et les phénomènes de diffraction répartissent de façon connue l'énergie autour de cette direction et forment le faisceau d'antenne 4 qui est représenté conventionnellement comme issu du point 5, diamétralement opposé à la source 3, dans le plan horizontal 10. Il est sensiblement symétrique par rapport à l'axe prolongeant le diamètre 11 passant par cette source élémentaire 3. L'ensemble des sources élémentaires du réseau produit une juxtaposition de faisceaux 4, le faisceau de l'antenne étant constitué de l'ensemble de ces faisceaux élémentaires. De même, à la réception d'une onde plane 12, le rayonnement reçu est focalisé sur la source élémentaire 3. La figure 2 illustre le recouvrement des faisceaux 4,4' élémentaires obtenus à partir de deux sources élémentaires juxtaposées 3,3'. En raison des dimensions intrinsèques des sources élémentaires 3,3'et de la finesse de leurs faisceaux 4,4', ces derniers ne se recouvrent pas suffisamment pour obtenir un faisceau global sans perte de gain significative à l'intersection des faisceaux. A titre d'exemple, le déficit de gain à l'endroit de l'intersection des faisceaux peut être de l'ordre de 15dB. Les figures 3a, 3b et 3c présentent un exemple de réalisation qui permet de s'affranchir de ces problèmes de pertes de gain. La figure 3a présente une vue en coupe selon l'axe de symétrie 9, les figures 3b et 3c présentant une vue de dessus. L'antenne selon l'invention comporte deux lentilles 1 superposées et décalées dans le plan horizontal d'un angle Ap en rotation autour de l'axe de symétrie 9, les deux lentilles ayant leurs axes de symétrie 9 confondus. C'est-à-dire que les deux réseaux de sources 2 sont superposés mais décalés de cet angle Ap. L'angle de décalage Ap est inférieur à la largeur d'une source élémentaire, ou du pas entre deux sources élémentaires. De la sorte, vue de dessus et en se référant à la figure 3b, une source élémentaire 3 du premier réseau produit un faisceau 4 et une source élémentaire 3", décalée de Ap, produit un faisceau 4". Ces deux faisceaux 4, 4"sont légèrement décalés dans un plan vertical. Ce décalage, sensiblement égal à l'épaisseur d'une lentille 1, a un effet négligeable. Le chevauchement des faisceaux dans le plan horizontal est suffisant pour obtenir un faisceau global 35 sans perte de gain significative. Lorsque le décalage est de l'ordre de la moitié du pas entre deux sources élémentaires, la perte de gain à l'intersection 31 des deux faisceaux 4, 4"est d'environ 3dB seulement. La superposition et le décalage des deux lentilles permettent donc d'obtenir un faisceau 32 tel qu'illustré par la figure 3c avec un gain suffisamment constant sur un grand secteur angulaire opposé aux réseaux de sources élémentaires 2, et de largeur angulaire sensiblement égale à celle ss de ces réseaux. Les figures 4a et 4b présentent un autre mode de réalisation possible d'une antenne selon l'invention. La figure 4a présente une vue en coupe selon l'axe de symétrie 9, la figure 4b présentant une vue de dessus Dans ce mode de réalisation, un dépointage du faisceau par rapport au plan horizontal 10 est réalisé, plus particulièrement par rapport à la face latérale 8 de la lentille. Le réseau de sources hyperfréquence 2 émet toujours son rayonnement dans la lentille géodésique vers le secteur angulaire qui lui est diamétralement opposé, mais il n'est plus placé sur le contour ou en regard de celui-ci. Il est situé sur un secteur angulaire à l'intérieur de la lentille, à une distance d de son axe de symétrie 9, inférieur au rayon de base R de la lentille. Afin de placer le réseau 2 à l'intérieur de la lentille géodésique 1, une entaille circulaire peut être réalisée dans celle-ci sur un secteur angulaire ss. Le réseau de sources hyperfréquence est ensuite placé dans cette entaille. Le fait de déplacer le réseau dans la lentille, vers son centre, créé un dépointage du faisceau 32 d'un angle a fonction de la position radiale d du réseau. Pour une forme de lentille et une position des sources imposées, cela permet avantageusement d'orienter le faisceau dans un plan vertical dans une direction choisie. Cela est particulièrement intéressant pour une application de télécommunications entre avions où l'antenne est placée par exemple sous le ventre d'un avion. Indépendamment de la situation de l'antenne, il est ainsi possible d'orienter le faisceau d'antenne dans une direction déterminée. La figure 5 présente un autre mode de réalisation possible d'une antenne selon l'invention qui utilise avantageusement ses propriétés telles que développées relativement aux figures 4a et 4b. Dans ce cas, deux lentilles géodésiques 1 équipées de leur réseau de sources hyperfréquence 2 sont superposées et partagent le même axe de symétrie 9. Les deux réseaux ne sont pas décalés selon un angle Ap comme dans l'exemple de réalisation des figures 3a, 3b et 3c, mais sont décalés radialement selon un pas Ad. A titre d'exemple, le réseau de sources 2 d'une lentille est placé sur son contour et le réseau 2 de l'autre lentille est placé à l'intérieur de celle-ci, comme illustré par les figures 4a et 4b. Ce mode de réalisation a notamment comme avantage d'élargir le faisceau résultant dans un plan vertical, issu des faisceaux 32,32'de chacune des lentilles. Si nécessaire, plusieurs lentilles, en nombre supérieur à 2, peuvent être superposées, avec les décalages radiaux des réseaux adéquats. Avantageusement, les modes de réalisation des figures 3a, 3b, 3c et de la figure 5 peuvent être combinés. Les figures 6a et 6b présentent d'autres modes de réalisations possibles pour une lentille géodésique utilisée dans une antenne selon l'invention. Ces figures présentent la lentille par une vue en coupe selon leur axe de symétrie 9. On sait que la forme en cloche telle qu'illustrée par exemple la figure 1a est définie de sorte que les chemins parcourus par les rayonnements issus d'une même source élémentaire à l'intérieur de la lentille soient tous sensiblement égaux. Un profil en coupe tel qu'illustré par la figure 6a respecte cette propriété. Dans ce mode de réalisation, la lentille étant toujours à symétrie de révolution, elle présente deux sommets 61,62 symétriques par rapport à l'axe de symétrie 9. Les sommets 61,62 et le creux 43 de la lentille sont de préférence arrondis. Le mode de réalisation de la figure 6a pourrait être généralisé à un profil présentant un nombre pair de sommets, deux à deux symétriques par rapport à l'axe de symétrie 9 de la lentille. Un mode de réalisation tel qu'illustré par la figure 6b présente un profil de coupe comportant un nombre impair de sommets 64,65, 66, trois par exemple. Un sommet 65 rencontre l'axe de symétrie 9 de la lentille, les autres sommets sont deux à deux symétriques par rapport à cet axe 9. Les modes de réalisations présentés par les figures 6a et 6b ont notamment l'avantage d'être peut encombrant, plus particulièrement de présenter une hauteur h moins importante qu'un mode de réalisation tel qu'illustré par exemple par la figure 1a. Cet avantage peut être particulièrement important pour des applications aéroportées, notamment pour des antennes de communication entre avions. Enfin, la forme arrondie des sommets 61,62, 64,65, 66 permet avantageusement de minimiser les désadaptations et ainsi d'élargir la bande de fonctionnement. Une antenne selon l'invention présente très peu de pertes, car le passage des rayonnements hyperfréquence à l'intérieur d'une lentille géodésique sont accompagnés de très faibles pertes. Par ailleurs, une telle antenne n'est pas sensible aux tolérances. En particulier, les tolérances de la lentille ou de la position du réseau de sources dans la lentille jouent peu. Les dimensions de l'antenne, en particulier le diamètre de la lentille géodésique dépendent notamment du gain et de la directivité choisis. A titre d'exemple, le diamètre d'une antenne peut être de l'ordre de 40 à 50 centimètres. Une association de n lentilles ou de n couples de lentilles, chacune couvrant un secteur angulaire ss, permet avantageusement d'obtenir une couverture angulaire égale à nxp. Cette association peut être une superposition ou une répartition sur la structure du porteur, un aéronef par exemple, en fonction de la forme de celui-ci. Une antenne selon l'invention peut encore avantageusement être utilisée simultanément dans plusieurs directions, une direction d'émission ou de réception correspondant à une ou plusieurs sources élémentaires du réseau. Une antenne selon l'invention peut bien sûr être utilisée pour d'autres applications que des communications entre aéronefs. REVENDICATIONS 1. Antenne, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une lentille géodésique (1) et un réseau de sources hyperfréquence (2), chaque source hyperfréquence (3,3') du réseau émettant, ou recevant, son rayonnement dans la lentille vers le, ou du, secteur angulaire qui lui est diamétralement opposé. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réseau (2) recouvre le contour de la lentille (1) sur un secteur angulaire inférieur à 1800. 3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réseau (2) est placé sur un secteur angulaire à l'intérieur de la lentille (1) à une distance (d) de son axe de symétrie (9) inférieure au rayon de base (R) de la lentille. 4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la lentille comporte une entaille circulaire pour accueillir le réseau (2). 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux lentilles géodésiques (1) superposées et dont les réseaux de sources hyperfréquence (2) sont décalés selon un angle (Ap) inférieur au pas entre deux sources d'un des réseaux. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux lentilles géodésiques (1) superposées et dont les réseaux de sources hyperfréquence (2) sont décalés radialement d'une distance donnée (Ad). 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la lentille (1) étant à symétrie de révolution, elle présente deux sommets (61,62) symétriques par rapport à son axe de symétrie (9), dans une vue en coupe passant par cet axe (9). 8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lentille (1) étant à symétrie de révolution, elle présente un nombre pair de sommets (61,62), deux à deux symétriques par rapport à son axe de symétrie (9), dans une vue en coupe passant par cet axe (9). 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la lentille (1) étant à symétrie de révolution, elle présente un nombre impair de sommets (64,65, 66), un sommet rencontrant l'axe de symétrie (9) de la lentille, les autres sommets étant deux à deux symétriques par rapport à cet axe (9).