Brevet FR2903234A1 — publié le 20080104

ÉLÉMENT PARASITE POUR ANTENNE HÉLICOÏDALE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des antennes et concerne plus particulièrement un élément parasite pour des antennes hélicoïdales pour améliorer les paramètres électriques de celle-ci. CONTEXTE DE L'INVENTION Il est connu dans l'art l'utilisation d'antennes hélicoïdales montées sur une structure pour permettre la communication avec un matériel situé à une certaine distance. Plus spécifiquement dans l'industrie aérospatiale, des antennes hélicoïdales telles que les antennes à couverture mondiale sont conventionnellement montées sur une structure d'engin spatial pour permettre des communications spécifiques vers et depuis le sol par l'intermédiaire d'une station terrestre sur Terre. En conséquence, les antennes à couverture mondiale montées sur un engin spatial sont généralement situées sur le panneau conventionnellement dit face à la terre de l'engin spatial, mais peuvent également être montées sur des panneaux latéraux, suivant la taille d'antenne respective et l'espace disponible sur les panneaux. En raison de l'augmentation continue du gain d'antenne requis ou d'autres paramètres d'antenne sur des engins spatiaux, les antennes à couverture mondiale deviennent plus grandes, par exemple de l'ordre de quelques pieds ou mètres, et suivant leur plage de fréquence de signal. Ces antennes de grande taille génèrent des problèmes mécaniques et électriques significatifs qui doivent être résolus ; en particulier en ce qui concerne les environnements mécaniques et électriques complexes et rigoureux que les antennes rencontrent ou doivent supporter. La solution à ces problèmes requiert souvent que des compromis soient faits avec le gain d'antenne, ou une autre spécification particulière que les antennes doivent satisfaire. 2903234 2 Les mêmes considérations s'appliquent aux grandes antennes hélicoïdales terrestres. Une des solutions connues dans l'art pour augmenter le gain de signal d'antennes hélicoïdales consiste à ajouter un élément parasite capacitif sous la 5 forme d'un tube inséré dans l'hélice formée par le(s) conducteur(s) d'antenne et s'étendant de l'extrémité libre à l'extrémité de base opposée, comme décrit dans le brevet U.S. n 5 754 146 octroyé à Knowles et al. le 19 mai 1998. En variante, l'élément parasite peut être sous la forme d'une hélice conductrice disjointe entourant l'hélice conductrice. Ce type d'élément parasite fonctionne 10 généralement bien pour des antennes hélicoïdales de taille relativement petite et ne peut pas être envisagé de manière réaliste pour de grandes antennes en raison des problèmes significatifs qu'il génèrerait. Le brevet U.S. n 5 923 305 octroyé à Sadler et al. le 13 juillet 1999 décrit une antenne hélicoïdale à double bande avec un élément parasite positionné à 15 l'intérieur ou à l'extérieur de l'hélice, et peut être parallèle au grand axe de l'hélice, ou diagonalement par rapport à celui-ci (lorsqu'il est situé à l'intérieur) de manière à être uniquement adjacent à deux enroulements ou plus de l'hélice. L'élément parasite permet que l'antenne transmette et reçoive des signaux électriques dans deux bandes de fréquence largement séparées. 20 Tous les éléments parasites connus seraient encombrants dans des applications à grande échelle en augmentant la masse pour l'élément parasite et son support, et par conséquent la complexité de la conception mécanique et/ou électrique globale de l'antenne, en particulier si l'antenne doit être déployée en orbite pour être fonctionnelle. 25 En conséquence, il existe un besoin d'un élément parasite amélioré pour une antenne hélicoïdale. 2903234 RÉSUMÉ DE L'INVENTION Il est donc un objet général de la présente invention de proposer un élément parasite amélioré pour antenne hélicoïdale qui résout les problèmes mentionnés ci-dessus. 5 Un avantage de la présente invention est que l'élément parasite améliore les paramètres électriques de l'antenne de quelques dixièmes de décibel (dB) à quelques dB, tels que l'augmentation du gain d'antenne, l'augmentation du couplage de polarisation d'antenne, la réduction du lobe arrière d'antenne (et des risques d'intermodulation passive, PIM, dans les composants d'antenne 10 situés derrière le plan de support de l'antenne), et similaire. Un autre avantage de la présente invention est que l'élément parasite est relativement petit par rapport à l'hélice d'antenne, en n'ajoutant qu'une faible masse à celle-ci, et est simple à mettre en oeuvre. Un avantage supplémentaire de la présente invention est que l'élément parasite 15 peut être allégé sans affecter significativement son efficacité électrique. Un autre avantage supplémentaire de la présente invention est que l'élément parasite peut servir de renfort structural à des fins d'arrimage. Un autre avantage de la présente invention est que l'élément parasite contribue à réduire la longueur (ou hauteur) totale de l'antenne hélicoïdale, pour un même 20 gain d'antenne. Selon un aspect de la présente invention il est proposé un élément parasite pour une antenne hélicoïdale, l'antenne comprenant au moins un conducteur hélicoïdal s'étendant d'une première extrémité longitudinale fixe de l'antenne à une seconde extrémité longitudinale libre opposée de celle-ci autour d'un grand 25 axe d'antenne, l'élément parasite comprenant un anneau électriquement conducteur définissant un axe d'anneau et une paroi interne et externe de celui-ci, l'anneau étant adjacent à et espacé de la seconde extrémité dans une direction s'éloignant de la première extrémité, l'axe d'anneau étant sensiblement parallèle à et colinéaire avec le grand axe d'antenne, la paroi 3 2903234 4 externe d'anneau ayant un diamètre sensiblement égal au diamètre du conducteur hélicoïdal à la seconde extrémité. De manière appropriée, l'élément parasite comprend une pluralité de bras électriquement conducteurs s'étendant radialement vers l'intérieur depuis 5 l'anneau, les bras étant généralement espacés de manière angulairement équidistante les uns par rapport aux autres, et étant raccordés mutuellement au niveau de l'axe d'anneau. Dans un mode de réalisation, la paroi interne d'anneau a un diamètre étant sensiblement plus faible que le diamètre externe d'anneau, de telle manière que 10 l'anneau ait une forme de disque annulaire. Éventuellement, le diamètre interne de l'anneau peut être généralement égal à zéro de sorte que l'anneau ait une forme de disque plein. De manière appropriée, l'anneau et les bras ont une section transversale irrégulière de manière à être allégés. 15 D'autres objets et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture minutieuse de la description détaillée faite ci-après, en référence aux dessins annexés. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture 20 de la description en référence aux figures suivantes, dans lesquelles des références similaires utilisées dans les différentes figures désignent des composants similaires, dans lesquelles : la figure 1 est une vue en perspective simplifiée d'un élément parasite selon un mode de réalisation de la présente invention situé au-dessus du conducteur 25 hélicoïdal à l'extrémité libre d'une antenne hélicoïdale ; la figure 2 est une vue en perspective agrandie simplifiée du mode de réalisation de la figure 1 ; 2903234 5 la figure 3 est une vue similaire à la figure 2 représentant un élément parasite selon un autre mode de réalisation de la présente invention ; la figure 4 est une vue similaire à la figure 2 représentant un élément parasite en forme de disque annulaire selon la présente invention ; 5 la figure 4a est une vue en coupe tronquée agrandie faite le long de la ligne 4a-4a de la figure 4 ; la figure 4b est une vue similaire à la figure 4a, représentant un élément parasite en forme de disque plein selon la présente invention ; la figure 5 est un résultat de simulation d'antenne graphique, représentant le 10 paramètre d'antenne de directivité minimale sur la couverture (ou directivité de limite de couverture) d'une antenne de 2350 mm de longueur avec et sans un élément parasite de la figure 3 et d'une antenne de 2600 mm de longueur sans élément parasite ; la figure 6 est un résultat de simulation d'antenne graphique similaire à la 15 figure 5, représentant le paramètre d'antenne du rapport axial maximum sur la couverture (ou taux d'ellipticité de limite de couverture) des antennes ; les figures 7a et 7b sont des résultats graphiques de simulation d'antenne, représentant la cartographie de courant électrique sur l'hélice d'une antenne hélicoïdale avec et sans l'élément parasite de la figure 3, respectivement ; 20 les figures 8a et 8b sont des résultats graphiques de simulation d'antenne, représentant la distribution de champ électrique sur un plan passant par l'extrémité libre de l'hélice d'une antenne hélicoïdale avec et sans l'élément parasite de la figure 3, respectivement ; et les figures 9a et 9b sont des résultats graphiques de simulation d'antenne, 25 représentant la distribution de champ électrique sur un plan au-dessus de l'extrémité libre de l'hélice d'une antenne hélicoïdale avec et sans l'élément parasite de la figure 3, respectivement. 2903234 6 DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS En référence aux dessins annexés le mode de réalisation préféré de la présente invention est présentement décrit à titre d'indication et non de limitation. 5 Il doit être noté que, bien que la description ci-après concerne essentiellement une grande antenne à couverture mondiale généralement en forme de cône tronqué, l'élément parasite de la présente invention peut être utilisé avec différents types et tailles d'antennes hélicoïdales ayant un nombre quelconque d'hélices conductrices (simple, double, quadrafilaire, etc.) de différentes formes 10 telles que cylindrique, effilée (tronconique) et similaire. En référence dans un premier temps aux figures 1 et 2, il est décrit un élément parasite 40 selon un mode de réalisation de la présente invention situé au-dessus du conducteur hélicoïdal 22 d'une antenne hélicoïdale 20 qui transmet et/ou reçoit des signaux électriques. L'antenne comprend typiquement le 15 conducteur hélicoïdal 22 qui s'étend d'une première extrémité longitudinale inférieure 24 de l'antenne généralement fixée à un plan de support 26 ou similaire à une seconde extrémité longitudinale supérieure libre opposée 28 de celle-ci et enroulé autour d'un grand axe d'antenne 30. L'hélice 22 est typiquement montée sur un support d'hélice 32 constitué d'un matériau 20 diélectrique tel que des fibres de verre, le KEVLARTM et similaire. Bien que cela ne soit pas illustré sur les figures, l'antenne hélicoïdale peut également être constituée d'une hélice déployable. L'élément parasite 40 comprend un anneau électriquement conducteur 42 qui définit un axe d'anneau 44. L'anneau 42 est généralement continu ou fermé, 25 sans aucune discontinuité électrique le long de sa circonférence ou extrémité ouverte. L'anneau 42 qui définit des parois interne 46 et externe 48 de celui-ci est généralement adjacent à et espacé de l'extrémité supérieure 28 dans une direction s'éloignant de l'extrémité inférieure 24, l'axe d'anneau 44 étant pratiquement parallèle à et colinéaire avec le grand axe d'antenne 30. L'anneau 42 est typiquement espacé de quelques millimètres, centimètres ou pouces de l'extrémité électriquement ouverte 28 de l'hélice 22 de sorte qu'il soit 2903234 7 découplé de manière électriquement conductrice de celle-ci. L'anneau 42 est typiquement monté sur une extension axiale 32a du support 32 et a un diamètre de paroi externe 48 sensiblement égal au diamètre de l'hélice 22 à la seconde extrémité 28. 5 Suivant les spécifications de l'antenne, l'élément parasite 40a peut comprendre en outre une pluralité de bras électriquement conducteurs 50 s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la paroi interne d'anneau 46 de manière à être situés pratiquement dans le plan de l'anneau 42, comme décrit sur la figure 3. Les bras 50 sont généralement espacés de manière angulairement 10 équidistante les uns par rapport aux autres et sont typiquement raccordés mutuellement à une intersection 52 sur l'axe d'anneau 44 pour former une croix interne ou similaire. En variante, certains, ou de préférence tous les bras 50 peuvent se terminer avant d'atteindre l'axe d'anneau 44 de sorte qu'ils ne se touchent pas mutuellement, comme décrit schématiquement en traits pointillés 15 sur la figure 2, et améliorer plus avant les performances de taux d'ellipticité (ou rapport axial) ou de couplage de polarisation de l'antenne. Typiquement, les bras 50, et l'anneau 42, présentent un profil généralement symétrique par rapport aux axes orthogonaux dans le plan de l'anneau, tels que, par exemple, quatre (4) bras 50 généralement espacés de quatre-vingt-dix degrés (90 ) les 20 uns par rapport aux autres, comme décrit sur la figure 3. Comme décrit sur la figure 4, les parois radiales externe 48 et en particulier interne 46 de l'anneau peuvent faire légèrement saillie radialement depuis le dernier enroulement supérieur de l'hélice 22 et former un petit disque creux ou annulaire sans affecter significativement l'efficacité de l'élément parasite sur 25 l'antenne 20. Éventuellement, le disque peut être plein, le diamètre de paroi interne étant généralement égal à zéro, de manière à masquer les bras, comme décrit sur la figure 4b. En ce qui concerne la paroi externe 48 en général, plus son diamètre augmente par rapport au diamètre de l'extrémité libre 28 de l'hélice, plus la fréquence de syntonisation de l'antenne est faible, et plus son 30 diamètre diminue par rapport au diamètre de l'extrémité libre 28 de l'hélice, plus l'efficacité de l'élément parasite 40 diminue. De manière similaire, la hauteur (dimension axiale) de l'anneau 42 ainsi que sa distance axiale au-dessus de 2903234 8 l'hélice 22 sont sujets à des variations sur la base des spécifications de paramètre d'antenne qui dépendent de l'utilisation spécifique de l'antenne 20 et du signal électrique transmis / reçu (fréquence(s), bande passante, etc.). Étant donné que la directivité électrique ou le gain de l'antenne 20 dépend de la 5 longueur ou la hauteur de l'antenne (de l'hélice 22), il apparaîtra à l'homme du métier que plus l'antenne est longue, meilleur est le gain. De plus, une antenne plus longue signifie plus de masse et plus de charges mécaniques induites durant le déplacement de l'antenne (en particulier lorsque la longueur de l'antenne est de l'ordre d'environ deux à trois mètres (2 à 3 m ou 7 à 10 pieds). 10 L'élément parasite 40 de la présente invention permet d'augmenter la directivité électrique sur l'antenne, en perturbant la condition de circuit électrique ouvert à l'extrémité libre de l'hélice 22, ou une réduction de la longueur (hauteur) de l'antenne pour un même gain de directivité, comme décrit de manière plus détaillée ci-dessous. Par exemple, dans une antenne hélicoïdale satellitaire 15 conçue pour produire une couverture mondial de la Terre dans la plage de fréquence UHF, l'ajout de l'élément parasite 40 permettrait une réduction de la hauteur d'antenne de 10 % à 15 % pour une efficacité de directivité électrique d'antenne similaire et une amélioration significative du taux d'ellipticité, ou des performances de couplage de polarisation, même par rapport à une antenne 20 plus longue. Les bras 50 contribuent en outre à augmenter au moins les performances de polarisation croisée de l'antenne 20, ainsi que ses capacités de syntonisation. Bien que cela ne soit pas illustré sur les figures, l'anneau 42 et/ou les bras 50 peuvent comprendre de petites protubérances (dans une direction quelconque) 25 et/ou trous dans une orientation quelconque pour servir de points d'arrimage temporaires ou permanents pour contribuer à fixer l'antenne 20 et porter des charges mécaniques par l'intermédiaire de ceux-ci, durant le transport et/ou le lancement d'un engin spatial, par exemple. De manière similaire, afin de réduire au minimum tout impact sur la masse dû à 30 l'élément parasite 40, 40a, 40b (lorsque la masse est un facteur important, par exemple dans l'industrie aérospatiale, en particulier en ce qui concerne des antennes de grande taille), l'anneau 42 et/ou les bras 50 peuvent 2903234 9 éventuellement avoir une section transversale non uniforme ou irrégulière et être allégés sans affecter l'efficacité de l'élément parasite 40, 40a, 40b, comme exemplifié sur la figure 4a. Exemple 5 L'exemple suivant est présenté à des fins d'illustration et non à des fins de limitation. Cet exemple décrit en détail l'impact de l'élément parasite 40a sur les performances de l'antenne hélicoïdale. La configuration choisie est une antenne hélicoïdale de 2350 mm (7 pieds et 9 pouces) de longueur 20 montée dans une cuvette terrestre. Les performances de l'antenne sont évaluées pour 10 une couverture de 9 degrés (limite de couverture, ou EOC ("Edge-Of-Coverage")). L'antenne hélicoïdale 20 présente un mode axial à gain élevé. Les figures 5 et 6 représentent les améliorations de directivité EOC et de taux d'ellipticité dues à l'élément parasite 40a de l'antenne choisie par rapport à l'hélice seule. La figure 5 démontre que, afin d'obtenir la même directivité sans 15 élément parasite 40a, la longueur d'antenne doit être augmentée de 2350 mm à environ 2600 mm (8 pieds et 4 pouces), soit plus de 10 %. De plus, la figure 6 démontre que l'élément parasite 40a améliore le taux d'ellipticité de plus d'environ 1 dB (décibel). De plus, même l'antenne de 2600 mm de longueur sans élément parasite 40a a un taux d'ellipticité plus mauvais d'environ 1 dB par 20 rapport à l'antenne de 2350 mm de longueur avec l'élément parasite 40a. L'amélioration des performances provient du couplage capacitif entre l'élément parasite 40a et l'extrémité libre 28 de l'antenne hélicoïdale 20. La charge électrique produite par l'élément parasite 40a modifie l'impédance à l'extrémité de l'hélice 22 et diminue l'impact du circuit électrique ouvert. Ceci a pour effet 25 de réduire l'onde électromagnétique stationnaire à l'extrémité libre 28 de l'hélice 22, comme indiqué par la cartographie ombrée de courant électrique (le motif sombre représente un courant intense tandis que le motif clair représente un courant faible) des figures 7a et 7b, avec et sans l'élément parasite 40a, respectivement. Les figures 8a et 8b représentent le champ électrique sur un 30 plan passant par l'extrémité libre 28 de l'hélice 22 et sensiblement perpendiculaire à son axe 30, avec et sans l'élément parasite 40a, respectivement. L'élément parasite 40a réduit clairement l'intensité de champ à 2903234 10 l'extrémité libre 28 de l'hélice, ce qui confirme à nouveau que l'élément parasite 40a réduit l'effet du circuit ouvert. Une distribution de courant plus lisse a un impact direct sur la distribution de champ électrique sur un plan perpendiculaire à l'axe 30 de l'antenne autour de 5 l'extrémité libre d'antenne 20 avec l'élément parasite 40a, comme décrit sur la figure 9a. L'élément parasite 40a rend le champ électrique pratiquement symétrique juste au-dessus de l'antenne 20, comparé à l'antenne hélicoïdale standard sans l'élément parasite 40a représentée sur la figure 9b où le champ est plus intense autour de l'extrémité de l'hélice 22. 10 Bien que la présente invention ait été décrite avec un certain degré de particularité, il doit être noté que la description a été faite à titre d'exemple uniquement et que la présente invention n'est pas limitée aux caractéristiques des modes de réalisation présentement décrits et illustrés, mais comprend toutes les variations et modifications dans la portée et l'esprit de l'invention 15 comme présentement revendiquée. REVENDICATIONS 1. Élément parasite (40) pour une antenne hélicoïdale (20), l'antenne (20) comprenant au moins un conducteur hélicoïdal (22) s'étendant d'une première extrémité longitudinale fixe (24) de l'antenne (20) à une seconde extrémité longitudinale libre opposée (28) de celle-ci autour d'un grand axe d'antenne (30), l'élément parasite (40) comprenant un anneau électriquement conducteur (42) définissant un axe d'anneau (44) et une paroi interne (46) et externe (48) de celui-ci, l'anneau (42) étant adjacent à et espacé de la seconde extrémité (28) dans une direction s'éloignant de la première extrémité (24), l'axe d'anneau (44) étant sensiblement parallèle à et colinéaire avec le grand axe d'antenne (30), la paroi externe d'anneau (48) ayant un diamètre sensiblement égal au diamètre du conducteur hélicoïdal (22) à la seconde extrémité (28). 2. Élément parasite (40) de la revendication 1, comprenant en outre une pluralité de bras électriquement conducteurs (50) s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la paroi interne d'anneau (46), les bras (50) étant généralement espacés de manière angulairement équidistante les uns par rapport aux autres. 3. Élément parasite (40) de la revendication 2, dans lequel les bras (50) sont mutuellement raccordés à un emplacement adjacent à l'axe d'anneau (44). 4. Élément parasite (40) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite paroi interne d'anneau (46) a un diamètre étant sensiblement plus faible que le diamètre externe de l'anneau, de telle manière que ledit anneau (42) ait une forme de disque annulaire. 1 2903234 5 12 5. Élément parasite (40) de la revendication 4, dans lequel le diamètre interne de ledit anneau est généralement égal à zéro, de telle manière que ledit anneau (42) ait une forme de disque plein. 6. Élément parasite (40) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit anneau (42) a une section transversale irrégulière de manière à être allégé. 10 7. Élément parasite (40) selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, dans lequel ledit anneau (42) et lesdits bras (50) ont une section transversale irrégulière de manière à être allégés.