Brevet FR2874748A1 — publié le 20060303

La présente invention concerne un répartiteur d'alimentation d'une antenne à balayage électronique en hyperfréquences, et un ensemble de communications en hyperfréquences, comprenant un tel répartiteur. L'invention concerne le domaine des communications sans fil point à point, qui s'étend à diverses applications. On décrit l'invention dans son application particulières à des communications sans fil point à point entre des navires. Dans cette application, non seulement il faut que l'antenne de communications soit dégagée, mais aussi que le système continue à fonctionner normalement malgré les déplacements en roulis et tangage des navires. Il existe déjà un répartiteur et une antenne destinés à une telle application. Plus précisément, ce répartiteur comprend deux plans conducteurs entre lesquels sont disposés deux réseaux circulaires d'éléments rayonnants répartis à intervalles réguliers. Dans un tel système, un élément du réseau intérieur crée un champ vers les éléments du réseau extérieur, entre les deux plans conducteurs. L'espace compris entre ces deux plans doit donc être libre pour la formation du champ. Un tel répartiteur ne peut donc être placé qu'en tête de mât puisqu'il ne peut avoir qu'un orifice central inexistant ou très réduit. En pratique, les mâts sont installés sur des navires pour remplir une fonction particulière, en général pour le support de radars en tête de mât. Un problème se pose donc, puisqu'il serait excessivement onéreux d'ajouter un mât uniquement pour l'antenne de communications. L'invention a pour objet de résoudre le problème précité par réalisation d'un ensemble de communications et, en particulier, d'une antenne et d'un répartiteur, qui dégagent un espace central suffisamment important pour pouvoir être placés autour d'un mât au-dessous de la tête de celui-ci. Il n'est donc plus nécessaire d'installer un mât spécial pour le système de communications, puisqu'un mât existant, déjà présent pour le support d'un radar, peut aussi être utilisé pour le support du répartiteur et de l'antenne. Plus précisément, selon l'invention, le problème précité est résolu par l'utilisation d'un répartiteur comportant un guide d'onde en anneau qui dégage un espace central important. Ce guide d'onde possède des entrées, raccordées par un dispositif de commutation à un dispositif de commande, qui sont de préférence sous forme de guides d'onde. Les sorties du répartiteur sont de préférence de type coaxial et elles peuvent alimenter, par l'intermédiaire de dispositifs de déphasage, les éléments rayonnants d'une antenne elle aussi de symétrie circulaire et ayant un passage central pour un mât. Plus précisément, l'invention concerne un répartiteur d'alimentation d'une antenne à balayage électronique en hyperfréquences, qui comprend un guide d'onde en anneau de section rectangulaire, muni d'entrées connectées à une première face correspondant à un côté de la section du rectangle, et de sorties connectées à une seconde face correspondant à un autre côté de la section du rectangle. De préférence, la première et la seconde faces sont des faces opposées correspondant aux grands côtés du rectangle qui sont perpendiculaires à l'axe de l'anneau du guide d'onde en anneau. De préférence, les entrées sont formées par des guides d'onde. Dans ce cas, le guide d'onde de chaque entrée a avantageusement pratiquement la même section que le guide d'onde en anneau. Selon un perfectionnement, ce guide d'onde comporte en outre, à proximité de son raccord avec le guide d'onde en anneau, un commutateur à diodes PIN qui peut être polarisé entre des états transparent et réfléchissant. De préférence, le répartiteur comporte 4 à 16 entrées, 8 de préférence. De préférence, les sorties sont formées par des connecteurs coaxiaux. Dans ce cas, le connecteur coaxial de chaque sortie comporte avantageusement un conducteur central qui pénètre partiellement dans le guide d'onde en anneau. De préférence, les sorties ont, autour du guide d'onde en anneau, un pas voisin d'une demi longueur d'onde. De préférence, le nombre de sorties est compris entre 32 et 128, 64 de préférence. De préférence, la longueur d'onde correspond à une fréquence comprise dans la bande de 4,4 à 5 GHz, et le trou central de l'anneau du guide d'onde en anneau a un diamètre supérieur à 500 mm. L'invention concerne aussi un ensemble de communications en hyperfréquences, du type qui comprend un dispositif électronique de commande, un dispositif de commutation, un répartiteur, un dispositif de déphasage, et une antenne possédant des éléments rayonnants, et tel que le répartiteur est tel que défini dans les paragraphes précédents. De préférence, le répartiteur et l'antenne ont un même axe pratiquement, et l'antenne a au moins deux parties séparées dans la direction de l'axe. 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 annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique d'un répartiteur selon l'invention ; la figure 2 est un diagramme obtenu par une alimentation par une entrée déterminée ; la figure 3 représente la couverture obtenue lors de l'utilisation de huit entrées ; la figure 4 représente le diagramme de rayonnement en azimut d'une antenne alimentée par l'intermédiaire du répartiteur représenté sur la figure 1 ; la figure 5 représente sous forme agrandie une partie du répartiteur de la figure 5 ; la figure 6 est un schéma électrique équivalent du fonctionnement du répartiteur lors de l'utilisation de la caractéristique représentée sur la figure 5 ;et la figure 7 est une vue schématique d'une antenne qui peut être alimentée par le répartiteur de la figure 1. La figure 1 représente un répartiteur selon l'invention dans un mode de réalisation avantageux. Ce répartiteur comporte un guide d'onde en anneau 10 de section rectangulaire. Sur la figure 1, les grands côtés du rectangle de la section sont dans des plans perpendiculaires à l'axe de l'anneau (cet axe étant dans la direction haut-bas sur la figure 1). Dans l'exemple représenté, la longueur du petit côté du rectangle est de l'ordre de la moitié de celle du grand côté. Ce guide d'onde 10 est alimenté par huit entrées El à E8 qui sont chacune elles-même sous forme d'un guide d'onde de même section pratiquement que le guide d'onde en anneau. La grande face opposée du guide d'onde en anneau porte des sorties 14, au nombre de 64 dans l'exemple représenté (bien que le nombre de sorties représentées soit en réalité plus petit). La partie arrachée du guide d'onde 10 permet d'observer que chaque sortie 14 est sous forme d'un connecteur coaxial dont le conducteur central dépasse en partie à l'intérieur du guide d'onde 10. Dans un ensemble de communications, ce répartiteur est placé entre d'une part un dispositif électronique d'alimentation et un dispositif de commutation, du côté des entrées, et d'autre part des déphaseurs et une antenne du côté des sorties. On a représenté un répartiteur à 8 entrées et 64 sorties. Un tel répartiteur, destiné à travailler dans la bande de fréquences comprise entre 4,4 et 5 GHz, a un diamètre moyen de l'ordre de 650 mm, si bien que l'ouverture centrale de l'anneau 10 a un diamètre permettant le passage d'un mât de diamètre au moins égal à 500 mm. La raison des nombres indiqués pour les entrées et les sorties est maintenant considérée en référence aux figures 2 à 4. Pour qu'un système de communications point à point sans fil possède des propriétés convenables de gain et de directivité, permette la poursuite des communications malgré les mouvements de roulis et de tangage des navires, et possède la directivité nécessaire aussi bien en azimut qu'en hauteur, tout en étant aussi efficace que possible, un certain nombre de conditions doivent être remplies. D'abord, il faut que l'énergie du système soit utilisée efficacement et, à cet effet, il est souhaitable d'utiliser la plus grande partie de l'énergie de l'alimentation. La figure 2 représente la variation d'amplitude obtenue lorsque l'alimentation s'effectue par l'entrée E5 prise comme exemple. Cette variation d'amplitude est obtenue lorsque les conducteurs centraux des connecteurs coaxiaux des sorties pénètrent tous d'une même distance déterminée dans le guide d'onde en anneau. On note qu'on obtient une variation triangulaire d'amplitude ayant une partie utile 18 qui correspond à une atténuation au plus de 10 dB, entre les sorties n[deg] 21 et n[deg] 42, c'est-à-dire pratiquement sur une plage angulaire de 120[deg]. La figure 3 indique comment se superposent les différentes courbes d'amplitude pour donner une couverture sur 360 par alimentation des différentes entrées. La figure 4 représente le diagramme de rayonnement en azimut d'un exemple d'antenne alimentée de la manière indiquée.On note que, bien que la plus grande partie de l'énergie soit utilisée (puisqu'elle correspond à un secteur de 120[deg] centré sur la direction d'émission), présente une directivité élevée en azimut. Si l'on utilise un répartiteur tel que représenté sur la figure 1, lorsqu'une entrée est alimentée, les autres entrées sont des sources d'atténuation et présentent un défaut d'adaptation. Il est donc souhaitable que chaque entrée soit munie d'un dispositif d'adaptation présentant une impédance convenable afin que, lorsque l'entrée correspondante n'est pas utilisée, le dispositif d'adaptation donne un état aussi proche que possible de la continuité du guide d'onde. Plus précisément, la figure 5 indique comment ce résultat peut être obtenu. L'entrée 12 est en forme de té dans le plan E. On pourrait aussi utiliser des tés dans le plan H. L'entrée débouche dans le guide d'onde 10 par l'intermédiaire d'un circuit commutateur à diodes PIN 20 constituant un dispositif d'adaptation. Un tel circuit 20 peut comprendre un iris capacitif chargé par des diodes PIN sur un support de circuit imprimé. Il a l'avantage de pouvoir être polarisé soit à un état transparent, lorsque l'entrée est utilisée pour l'alimentation, soit à un état réfléchissant, lorsque l'entrée n'est pas utilisée pour l'alimentation. La figure 6 indique alors comment se présente le circuit électrique équivalent du répartiteur. La référence 22 désigne une entrée alimentée, c'est-à-dire qui est raccordée au guide d'onde en anneau. Les autres entrées, comme indiqué par la référence 24, se comportent comme la continuité de la paroi du guide d'onde. Les composants en parallèle représentés schématiquement sont les conductances formées par les plongeurs des sorties. Selon un perfectionnement, les circuits commutateurs des entrées qui sont en dehors de la zone utile de 120 peuvent être polarisés à un état intermédiaire donnant une impédance voisine de 1 par circulation d'un courant déterminé, par exemple d'un dixième de milliampère environ. Dans un exemple de réalisation, lorsque le répartiteur et l'antenne associée fonctionnent dans la bande de fréquence comprise entre 4,4 et 5 GHz, la largeur du guide d'onde en anneau, et donc la longueur de chaque entrée 12, est d'environ 45 mm. La hauteur du guide d'onde en anneau, et donc la largeur l'entrée, est d'environ 22 mm. Le pas des sorties est de 32 mm, si bien que le diamètre moyen du répartiteur est de 650 mm. L'ouverture centrale de l'anneau a un diamètre supérieur à 500 mm. L'utilisation de 8 entrées donne un pas angulaire des entrées de 45[deg]. Le dépointage électronique nécessaire à la couverture de 360[deg] est donc de 22,5 pour chaque entrée. Les pertes de dépointage correspondantes sont négligeables. Le secteur utile, contenant la très grande majorité de l'énergie et indiqué par la référence 18 sur la figure 2, est de 120[deg] environ. Dans ce cas, le répartiteur est alimenté par un commutateur à diodes PIN ayant une entrée et huit sorties. On pourrait utiliser un nombre d'entrées plus réduit (quatre, par exemple), mais le pas des entrées serait alors de 90[deg] et le dépointage électronique nécessaire à la couverture de 360 serait donc de 45[deg], conduisant à des pertes de dépointage plus importantes. De même, le nombre d'entrées pourrait être augmenté, par exemple jusqu'à 16.Cependant, la réduction des pertes de dépointage qui sont déjà négligeables n'a guère d'intérêt ; par contre le coût du dispositif est accru du fait de sa plus grande complexité. Le nombre de sorties est directement lié au diamètre de l'antenne ou du mât, car le pas de celles-ci doit rester voisin d'une demi-longueur d'onde. La figure 7 représente un exemple d'antenne qui peut être utilisée avec le répartiteur de la figure 1. Entre le répartiteur et les éléments rayonnants de l'antenne représentée sur la figure 7, sont disposés de façon classique des circuits déphaseurs (non représentés). Sur la figure 7, on a représenté l'antenne sous forme d'un cylindre creux 26, un mât étant destiné à passer dans l'orifice central. L'antenne a des éléments rayonnants tels que 28. Ces éléments peuvent être disposés de façon continue sur toute la hauteur de l'antenne. Cependant, si la hauteur des éléments rayonnants est importante, la directivité dans le plan vertical est élevée et, lorsque les navires subissent un mouvement de roulis, les communications peuvent être perturbées. Pour cette raison, il est souhaitable que les éléments rayonnants d'antenne ne soient pas excessivement grands. La figure 7 représente une variante qui permet d'obtenir une couverture élargie dans le plan vertical afin que les communications ne soient pas perturbées par les mouvements de roulis du navire. Plus précisément, l'antenne de la figure 7 comprend deux ensembles d'éléments rayonnants 30 et 32 séparés par une partie intermédiaire 34. La partie supérieure 32 pointe par exemple au-dessus de l'horizon alors que la partie inférieure 30 pointe au-dessous de l'horizon (l'inverse étant aussi possible). La sélection des éléments rayonnants inférieurs ou supérieurs ou de la somme des deux s'effectue au moyen d'un commutateur à trois états associé à chaque déphaseur. Le lobe principal du diagramme de rayonnement dans le plan vertical possède donc trois directions commutables . De cette manière, quelle que soit le mouvement de roulis du navire, les communications point à point peuvent être maintenues avec un bilan de liaison pratiquement constant. Bien qu'on ait représenté, sur la figure 1, un répartiteur dans lequel les entrées et les sorties sont disposées sur les deux grands côtés du répartiteur correspondant aux grands côtés du rectangle de la section, cette caractéristique n'est pas indispensable. En outre, il n'est pas nécessaire que les entrées et les sorties soient placées sur deux faces opposées. Cependant, cette caractéristique est intéressante dans le cas des systèmes de communications pour navires puisque le répartiteur comme l'antenne sont disposés autour d'un mât, et l'ensemble du système de communications peut avoir une disposition cylindrique. Bien qu'on ait décrit et représenté les entrées sous forme de guides d'onde, cette caractéristique n'et pas indispensable, et elles peuvent être d'un autre type, par exemple de type coaxial. De même, bien qu'on ait décrit et représenté les sorties sous forme de connecteurs coaxiaux, elles peuvent être d'un autre type, par exemple sous forme de guides d'onde. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux répartiteurs et ensembles qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Répartiteur d'alimentation d'une antenne à balayage électronique en hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comprend : un guide d'onde en anneau (10) de section rectangulaire, muni d'entrées (12) connectées à une première face correspondant à un côté de la section du rectangle, et de sorties (14) connectées à une seconde face correspondant à un autre côté de la section du rectangle. 2. Répartiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première et la seconde faces sont des faces opposées correspondant aux grands côtés du rectangle qui sont perpendiculaires à l'axe de l'anneau du guide d'onde en anneau (10). 3. Répartiteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les entrées (12) sont formées par des guides d'onde. 4. Répartiteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, à proximité du raccord de chaque guide d'onde d'entrée (12) avec le guide d'onde en anneau (10), un commutateur à diodes PIN (20) qui peut être polarisé entre des états transparent et réfléchissant. 5. Répartiteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sorties (14) sont formées par des connecteurs coaxiaux. 6. Répartiteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le connecteur coaxial de chaque sortie (14) comporte un conducteur central (16) qui pénètre partiellement dans le guide d'onde en anneau (10). 7. Répartiteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre d'entrées (12) est compris entre 4 et 16, et le nombre de sorties (14) est compris entre 32 et 128. 8. Répartiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d'onde correspond à une fréquence comprise dans la bande de 4,4 à 5 GHz, et le trou central de l'anneau du guide d'onde en anneau (10) a un diamètre supérieur à 500 mm. 9. Ensemble de communications en hyperfréquences, du type qui comprend un dispositif électronique de commande, un dispositif de commutation, un répartiteur, un dispositif de déphasage, et une antenne possédant des éléments rayonnants, caractérisé en que le répartiteur est selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Ensemble selon la revendication 9, caractérisé en ce que le répartiteur et l'antenne ont un même axe pratiquement, et l'antenne a au moins deux parties séparées dans la direction de l'axe.