Brevet FR2868881A1 — publié le 20051014

ANTENNE PORTATIVE COLOCALISEE POUR COMMUNICATION SATELLITE ET EN VISIBILITÉ DIRECTE Domaine technique de l'invention La présente invention concerne les antennes en général et plus particulièrement, les antennes multibande multifonctionnelles. Etat de la technique Dans la vie civile, la transmission sans fil est devenue un luxe sans lequel beaucoup pensent ne pas pouvoir vivre. Lors d'opérations militaires, cela peut être littéralement vrai. Sur le front, les soldats doivent être en mesure de communiquer de manière fiable et efficace avec d'autres sur terre, dans le ciel, en mer, et à l'autre bout du monde. La transmission sans fil est réalisée par l'utilisation d'une radio, qui est bien connue de l'homme du métier, connectée à un élément rayonnant, ou antenne, également bien connue par l'homme du métier. Une antenne est un dispositif d'adaptation d'impédance utilisé pour absorber ou diffuser les ondes électromagnétiques. La fonction de l'antenne est "d'adapter' l'impédance du support de propagation, qui est habituellement l'air ou de l'espace libre, à la source. Les signaux radio incluent les canaux de communication vocale, les canaux de liaison de données, et les signaux de navigation. La transmission avec les personnes se trouvant sur la terre se fait le plus aisément au moyen d'éléments rayonnants généralement appelés "monopôles" ou "dipôles." Un dipôle comporte deux éléments de même taille disposés de telle manière à partager leur axe d'alignement, avec un petit intervalle entre les deux éléments. Chaque élément du dipôle est alimenté par une charge déphasée de 180 degrés par rapport à l'autre. De cette manière, les éléments auront des charges 7009-A04-013 opposées et des valeurs nulles communes. Un monopôle, en revanche, a seulement un élément, mais fonctionne avec un plan de masse, qui imite le deuxième élément manquant. La physique des monopôles et des dipôles est bien connue. Cependant, les monopôles et les dipôles ne sont efficaces que pour les transmissions en visibilité directe (LOS, pour l'expression anglo-saxonne line-of-sight). Les obstacles tels que des montagnes ou les grandes distances rapportées à la courbe de la surface de la terre, entre l'émetteur et le récepteur peuvent empêcher la réception de ces signaux. Les positions relatives de l'émetteur et du récepteur, comme la puissance de sortie de l'émetteur déterminent ainsi si le signal en visibilité directe sera reçu ou pas. Pour surmonter l'effet des obstacles on a développé les communications par satellite (SATCOM). Les satellites sont des émetteurs-récepteurs qui sont en orbite autour de la terre et peuvent relayer des transmissions depuis et vers la surface de la terre ou depuis/vers d'autres satellites, permettant de transmettre pratiquement n'importe où dans le monde. Une des caractéristiques d'une antenne de transmission est la "polarisation" qui décrit dans quel plan physique est transmis le signal. Un dipôle ou un monopôle orienté dans une position verticale (perpendiculaire à la surface de la terre) rayonne des signaux avec une polarisation verticale. Pour qu'une deuxième antenne reçoive le signal à force maximale, elle aussi doit avoir une orientation verticale. Lorsque l'antenne de réception s'éloigne de la verticale, sa puissance de réception maximale diminue jusqu'à ce que l'antenne atteigne une orientation horizontale (perpendiculaire à l'antenne de transmission), alors la puissance de réception maximale devient nulle. Puisque les satellites sont en orbite autour de la terre et transmettent aux récepteurs dans des directions et des orientations multiples, la transmission à plan unique n'est pas efficace. Par conséquent, les satellites transmettent des signaux avec une polarisation "circulaire". De cette manière, le signal est transmis avec une orientation rotative à droite continue. Une antenne polarisée circulairement a deux 7009-A04-013 2868881 3 dipôles orthogonaux l'un à l'autre. Les dipôles alternent "les envois" avec une charge positive tournant séquentiellement autour des quatre différents éléments et une charge négative sur son deuxième élément opposé aligné axialement. Si on le visualise sur un graphique tridimensionnel temps/polarisation, le signal polarisé circulairement ressemble à une spirale. En raison de la perte mentionnée ci-dessus inhérente aux antennes de d'émission et de réception polarisées linéairement orientées perpendiculairement, une antenne polarisée linéairement souffrira d'une perte de signal de 50% (3dB) lors de la réception de signaux de communication satellite. Un moyen de réception plus efficace est donc souhaitable. Les radios "Man-Pack" sont des radios mobiles conçues pour être transportées ou portées par une personne. Actuellement, les radios ManPack sont employées par des soldats militaires ou paramilitaires sur le front et utilisées en mouvement ou à l'arrêt. Ces radios utilisent une antenne monopôle traditionnelle de communication en visibilité directe (LOS), qui souffre de la perte inhérente de 3dB mentionnée ci-dessus, due aux pertes de polarisation. Il existe des antennes portatives de communication par satellite (SATCOM), qui sont directionnelles et polarisées circulairement, toutefois porter deux antennes séparées est encombrant. En outre, la déconnexion et la connexion d'une antenne de communication en visibilité directe, et l'assemblage ou le démontage d'une antenne de communication satellite séparée est généralement excessivement pesant. En conséquence, il existe un besoin pour un système d'antenne de communication en visibilité directe/communication par satellite (LOS/SATCOM) à polarisation multiple, à plusieurs bandes, efficace, léger, portatif, sous forme d'un seul appareil pouvant facilement être déployé sur le front. 7009-A04-013 Exposé de l'invention Le présent système d'antenne de l'invention propose un système de communication avec antenne à polarisation multiple, de faible poids et facile à transporter. En mode directionnel, le système d'antenne fournit un système d'antenne directionnel, parfaitement capable, à polarisation circulaire, particulièrement adapté aux communications par satellite mais utilisable pour d'autres buts. En mode omnidirectionnel le système d'antenne fournit un système d'antenne omnidirectionnel, parfaitement capable, à polarisation verticale, particulièrement adapté aux communications en visibilité directe, mais utilisable pour d'autres buts. Description des schémas Les schémas d'accompagnement, dans lesquels les références numériques identiques renvoient à des éléments identiques ou semblables du point de vue fonctionnel dans toutes les différentes vues ainsi que la description détaillée ci-dessous qui sont intégrés ici et font partie de la description, ont pour but d'illustrer divers modes de réalisation et d'expliquer divers principes et avantages selon la présente invention. La figure la est une vue en élévation illustrant la forme du rayonnement de l'antenne selon l'invention en mode omnidirectionnel; La figure 1 b est une vue de côté illustrant la forme du rayonnement de l'antenne selon l'invention en mode omnidirectionnel; La figure 2 est un diagramme illustrant l'antenne selon l'invention dans une configuration en visibilité directe omnidirectionnelle; La figure 3 est un schéma fonctionnel illustrant le circuit de l'antenne; La figure 4 est un diagramme illustrant l'antenne dans une configuration de communication par satellite directionnelle; et 7009-A04-013 2868881 5 La figure 5 est une vue en élévation illustrant la forme du rayonnement de l'antenne selon l'invention en mode directionnel. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DU MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ Bien que la description du brevet se termine par les revendications définissant les dispositifs de l'invention qui sont considérés comme étant nouveaux, l'invention sera mieux comprise en lisant la description qui suit en même temps que les schémas, dans lesquels les références numériques identiques continuent. Exemple de mode de réalisation d'une antenne en visibilité directe: Nous allons maintenant décrire un exemple de configuration d'antenne pour un type de communication polarisé verticalement, omnidirectionnel, de l'antenne multibande de l'invention suivant un exemple de mode de réalisation de la présente invention. En référence aux figures la et 1 b, on voit un diagramme de rayonnement 101 de l'antenne de l'invention 100 dans son mode omnidirectionnel. La figure la montre la configuration de l'antenne 100 vue directement par dessus ou par-dessous l'antenne. La figure 1 b montre la configuration de l'antenne 100 vue de l'horizon avec une première extrémité 102 de l'antenne 100 orientée dans une direction de 0 degré et une deuxième extrémité 103 de l'antenne 100 orientée dans une direction de 180 degrés. Un point indiquant l'orientation de l'antenne 100 se trouve sur le côté droit de la figure la et une ligne indiquant l'orientation de l'antenne 100 est dessinée à droite de la figure lb. Retournons maintenant à la figure la, on voit la forme du rayonnement vue de dessus 101 de l'antenne 100 en mode omnidirectionnel. L'antenne 100 produit une forme de rayonnement qui est essentiellement uniforme pour tous les angles. Dans ce mode, l'antenne peut communiquer latéralement aussi bien dans toutes les 7009-A04-013 2868881 6 directions. Comme on l'a indiqué précédemment, la figure 1 b montre l'antenne 100 depuis une vue horizontale. Cette vue prouve que la force de rayonnement, également appelée "gain", diminue d'une valeur maximale d'approximativement 90 degrés et 270 degrés à approximativement zéro, également appelé "valeur nulle", d'approximativement 0 degré et 180 degrés. L'antenne 100 est présentée en mode omnidirectionnel dans la figure 2. L'antenne 100 comprend une interface radio/antenne 201 reliée au corps d'antenne 202, qui contient un groupe de quatre éléments omnidirectionnels 203 ou plus, qui entourent un élément directionnel 204. L'élément directionnel 204 est équipé de quatre dipôles 205 fixés à l'extrémité de l'élément la plus éloignée du corps 206, 202. Les éléments omnidirectionnels 203 sont télescopiques pour maximiser les performances, qui dépendent de la longueur des éléments 203 à différentes fréquences Quand l'antenne 100 est en mode omnidirectionnel, un chemin électrique est créé depuis l'interface radio/antenne 201, en passant par le corps 202, jusqu'aux éléments de rayonnement omnidirectionnel 203. L'interface radio/antenne 201 fournit une connexion électrique depuis les éléments de rayonnement omnidirectionnel 203 à une radio (non représentée). La figure 3 montre un commutateur 301 permettant de choisir entre le mode omnidirectionnel (LOS) 302 et le mode directionnel (SATCOM) 303 de l'antenne 100. Dans un mode de réalisation, le commutateur 301 est un commutateur double à pôle unique (SPDT), qui peut être manuel, coaxial, ou un commutateur à diodes PIN. Cependant, d'autres dispositifs de commutation permettant de choisir un chemin électrique parmi deux pourraient être utilisés sans s'écarter de l'esprit de l'invention. Quand l'antenne est en mode omnidirectionnel 302, les éléments omnidirectionnels 203 sont fixés dans une position sensiblement parallèle à l'élément directionnel 204. Cependant, l'antenne 100 peut être réglée en modifiant la position des éléments omnidirectionnels 203, de parallèles à perpendiculaires à l'élément directionnel 204. Les éléments omnidirectionnels 203 sont excités par 7009-A04-013 2868881 7 l'intermédiaire d'un chemin électrique de l'interface radio/antenne 201 aux éléments omnidirectionnels 203 et passant par le commutateur 301. Dans cette configuration, quand une radio (non représentée) est connectée à l'antenne 100 par l'interface radio/antenne 201, on crée une antenne unipolaire. Dans ce mode, la radio joue le rôle du plan de la masse. De cette manière, un signal omnidirectionnel polarisé verticalement est transmis et/ou reçu. Pour la diffusion et la réception les plus efficaces de signaux RF(radio fréquence), comme on le voit dans la figure 3, on prévoit un circuit d'adaptation d'impédance 304 entre l'interface radio/antenne 201 et les éléments de rayonnement omnidirectionnel 203. De même, un circuit d'adaptation d'impédance 305 se trouve entre l'interface radio/antenne 201 et l'élément directionnel 206. Le circuit d'adaptation 305 comprend un hybride du déphasage en quadrature et une charge terminale. Le circuit d'adaptation 304 comprend des éléments inductifs et capacitifs. L'adaptation d'impédance est bien connue dans le métier et par conséquent, l'adaptation d'impédance et les détails de tels circuits ne seront pas davantage examinés ici. La figure 3 montre également un amplificateur 306 situé entre l'interface radio/antenne 201 et le commutateur 301. L'amplificateur 306 est avantageusement utilisé pour fournir un gain de signal, mais il n'est pas nécessaire à l'antenne de l'invention pour fonctionner comme antenne omnidirectionnelle ou directionnelle. Les amplificateurs RF sont bien connus de l'homme du métier et ne seront donc pas détaillés. En se reportant à nouveau à la figure 1 b, on peut voir qu'en raison de la dégradation d'amplitude lorsque l'angle s'approche de 0 et 180 degrés, il peut être souhaitable de régler l'angle de l'antenne 100, par rapport au plan horizontal, sur le front, pour obtenir un gain de signal de transmission maximum. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'interface radio/antenne 201 peut pivoter pour permettre à l'opérateur de modifier l'orientation de l'antenne tout en maintenant la radio en position statique. Dans un autre mode de réalisation, tel que représenté dans la 7009-A04-013 2868881 8 figure 2, on peut utiliser du câble flexible 207 pour atteindre le même résultat. Lorsque l'on règle l'angle de l'antenne, le câble 207 peut plier et la radio peut rester en place. De même, il existe de nombreuses autres méthodes pour connecter l'antenne 100 à une radio tout en gardant la possibilité de régler la position de l'antenne par rapport à la radio sans avoir besoin de déconnecter la radio. Exemple de mode de réalisation d'une antenne SATCOM Dans une deuxième configuration, le mode directionnel de l'antenne 100, l'antenne 100 sera physiquement convertie en antenne directionnelle. Pour accomplir la conversion, les éléments omnidirectionnels 203 seront repositionnés, comme montré dans la figure 4, pour reposer dans un plan perpendiculaire à l'élément directionnel 204. De plus, les radiateurs 205 seront également repositionnés pour se situer dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'élément directionnel 204, également montré dans la figure 4. Dans cette configuration, et après que le commutateur 301 a déconnecté les éléments omnidirectionnels 203 de la radio, les éléments omnidirectionnels 203 servent de réflecteurs pour les radiateurs 205. Les réflecteurs 203 reflètent l'énergie, en créant un diagramme de rayonnement directionnel, augmentant ainsi le gain de l'antenne de communication par satellite. Le gain de l'antenne peut être modifié en ajustant la longueur (plus courte ou plus longue) des réflecteurs 203. Les éléments omnidirectionnels 203, ont donc deux fonctions: servir d'éléments radiants pour le mode omnidirectionnel en visibilité directe (LOS), et, une fois déployés, servir de réflecteurs d'antenne pour le mode directionnel de communication par satellite (SATCOM). En se reportant maintenant à la figure 5, on peut voir la configuration de rayonnement directionnel de l'antenne 100 en mode de configuration directionnelle. La figure 5 montre le diagramme de rayonnement de l'antenne 100 vu de l'horizon avec une première extrémité de l'antenne orientée dans une direction à 0 degré et une seconde extrémité de l'antenne orientée dans une direction à 180 degrés. Une ligne montrant l'orientation de l'antenne 100 est dessinée du côté droit de la figure 5. 7009-A04-013 2868881 9 Pour clarifier encore l'illustration, les réflecteurs 203 et radiateurs 205 sont étiquetés. Un axe de transmission directionnelle est défini par la ligne qui relie 0 degré à 180 degrés. Comme on peut clairement le voir dans la figure 5, le gain 101 de l'antenne 100 en mode directionnel atteint sa valeur maximale approximativement à 0 degré. La valeur du gain 101 diminue lorsque l'angle change à partir de 90 degrés jusqu'à finalement atteindre une valeur nulle quelque part entre 0 degré et 90 degrés. Ainsi, le gain maximal n'est obtenu que dans une seule direction quand on est en mode directionnel. Les radiateurs 205 sont représentés dans la figure 4 sous forme de quatre éléments séparés 401, 402, 403, et 404. Les quatre éléments séparés 401, 402, 403, et 404 forment deux antennes dipolaires orthogonales, 401 et 403 formant le premier dipôle et 402 et 404 formant le second. Chaque dipôle 401, 403 et 402, 404 reçoit de manière alternative des charges opposées quand l'antenne est en mode directionnel ce qui résulte en la transmission d'un signal polarisé circulairement. Spécifiquement, à un instant 1, une charge positive est appliquée à l'élément 401, la même charge négative sera appliquée à l'élément 403. A l'instant 2, une charge positive sera appliquée à l'élément 404 et une charge négative correspondante à l'élément 402. A l'instant 3, une charge positive sera appliquée à l'élément 403, la charge négative correspondante étant appliquée à l'élément 401. Enfin, pour compléter une rotation, une charge positive est appliquée à l'élément 402 et une charge négative correspondante est appliquée à l'élément 404. De cette manière, une charge positive peut être visualisée comme tournant autour de la circonférence de l'élément directionnel 204, dans l'ordre 401, 404, 403, et 402. La partie de l'onde de sortie déclenchée par les radiateurs 205 qui atteint les réflecteurs 203 est réfléchie en direction des radiateurs 205 et ajoutée à l'onde de sortie s'éloignant déjà des réflecteurs 205. En conséquence, l'antenne 100 en mode directionnel émet en sortie peu ou pas d'énergie dans la zone située derrière le réflecteur, créant de ce fait un signal de sortie directionnel polarisé circulairement. 7009-A04-013 2868881 10 Un gain supplémentaire peut être obtenu en installant des radiateurs supplémentaires à l'extrémité de l'élément directionnel 204. En outre, les radiateurs 205 et les éléments omnidirectionnels 203 peuvent être repositionnés, ou "pliés" et "dépliés", en utilisant des joints de pivotement, des ressorts, des charnières, le retrait et l'insertion dans un autre élément d'insertion, ou l'une des nombreuses autres méthodes permettant de repositionner et de réorienter un élément. Il est souhaitable que la connexion électrique des éléments 103 et 105 puisse être maintenue pendant un cycle de vie comportant de nombreux pliages et dépliages des éléments 103 et des radiateurs 105. En conclusion, tous les éléments et radiateurs peuvent avantageusement être télescopiques pour réduire la taille de l'ensemble. 7009-A04-013 11 REVENDICATIONS 1. Ensemble d'antenne comprenant: une interface antenne/radio; une partie corps connectée à l'interface antenne/radio; et un groupe d'éléments radiants omnidirectionnels connectés à la partie corps et entourant un groupe d'éléments radiants directionnels, le groupe d'éléments radiants omnidirectionnels ayant une première position dans le corps pour un mode omnidirectionnel de l'antenne et une seconde position dans le corps pour un mode directionnel de l'antenne. 2. Antenne selon la revendication 1, comprenant en outre un commutateur permettant de choisir le mode omnidirectionnel ou le mode directionnel de l'antenne. 3. Antenne selon la revendication 1, où la partie corps comprend: un commutateur pour sélectionner l'un des modes omnidirectionnel ou directionnel de l'antenne; et au moins un circuit d'adaptation. 4. Corps selon la revendication 3, comprenant en outre un amplificateur. 5. Antenne selon la revendication 1, où en outre les éléments radiants omnidirectionnels sont disposés perpendiculairement à l'axe de transmission directionnel de l'antenne et servent de réflecteur au groupe d'éléments radiants directionnels en mode directionnel. 7009-A04-013 2868881 12 6. Antenne selon la revendication 1, où en outre, l'interface antenne/radio est un connecteur de câble coaxial. 7. Antenne selon la revendication 1, où le groupe d'éléments radiants directionnels inclut une partie allongée ayant une première extrémité et une seconde extrémité, la première extrémité étant connectée au corps de l'antenne et la seconde extrémité comportant deux radiateurs. 8. Antenne selon la revendication 7, où en outre le mode directionnel est une connexion électrique entre le groupe d'éléments radiants directionnels et l'interface antenne/radio. 9. Antenne selon la revendication 7, où en outre les deux radiateurs sont un premier radiateur ayant une première taille et un second radiateur ayant une seconde taille, définissant un plan perpendiculaire à l'axe de transmission quand l'antenne est en mode directionnel. 10. Antenne selon la revendication 7, où en outre les deux radiateurs sont parallèles à un axe de transmission directionnel de l'antenne quand l'antenne est en mode omnidirectionnel. 11. Antenne selon la revendication 7, où en outre les deux radiateurs ont une longueur réglable. 7009-A04-013 2868881 13 12. Antenne selon la revendication 1, où en outre le mode omnidirectionnel est une connexion électrique entre le groupe d'éléments radiants omnidirectionnels et l'interface antenne/radio. 13. Antenne selon la revendication 1, où en outre le groupe d'éléments radiants omnidirectionnels comprend au moins deux éléments. 14. Antenne accordant la revendication 13, où en outre le groupe d'éléments radiants omnidirectionnels a une longueur réglable. 15. Antenne bi-bande comportant au moins un élément radiant omnidirectionnel et un élément radiant directionnel situés sur un corps, l'élément radiant directionnel comportant au moins deux radiateurs et le corps ayant des positions pour déployer et stocker des réflecteurs pour l'élément radiant directionnel. 16. Antenne bi-bande selon la revendication 15, où en outre le au moins un élément radiant omnidirectionnel a une première position dans le corps pour un mode omnidirectionnel de l'antenne et une seconde position dans le corps pour un mode directionnel de l'antenne. 17. Antenne bi-bande selon la revendication 16, où le mode omnidirectionnel est une connexion électrique entre le au moins un élément radiant omnidirectionnel et une interface d'entrée-sortie et le mode directionnel est une connexion électrique entre l'élément radiant directionnel et une interface d'entrée-sortie. 7009-A04-013 2868881 14 18. Antenne bi-bande selon la revendication 15, où en outre les radiateurs sont disposés perpendiculairement à un axe de transmission directionnel pour un mode directionnel de l'antenne et parallèlement à un axe de transmission directionnel pour un mode omnidirectionnel de l'antenne. 19. Antenne bi-bande selon la revendication 18, où le mode omnidirectionnel est une connexion électrique entre le au moins un élément radiant omnidirectionnel et une interface d'entrée-sortie et le mode directionnel est une connexion électrique entre l'élément radiant directionnel et une interface d'entrée-sortie. 20. Antenne bi-bande selon la revendication 15, où en outre le au moins un élément radiant omnidirectionnel est disposé perpendiculairement à un axe de transmission directionnel et sert de réflecteur à l'élément radiant directionnel quand l'antenne est en mode directionnel. 21. Antenne bi-bande selon la revendication 20, où le mode directionnel est une connexion électrique entre l'élément radiant directionnel et une interface d'entrée-sortie. 22. Antenne bi-bande selon la revendication 15, où en outre le corps comprend au moins un circuit d'adaptation et un commutateur. 23. Antenne bi-bande selon la revendication 22, où en outre le corps comprend au moins un amplificateur. 7009-A04-013 2868881 15 24. Antenne bi-bande selon la revendication 15, où en outre les éléments sont réglables en longueur. 25. Antenne bi-bande selon la revendication 15, où en outre les au moins deux radiateurs sont réglables en longueur. 7009-A04-013