Brevet FR2931949A1 — publié le 20091204

BALISE DE DETRESSE COMPACTE L'invention concerne les balises de détresse qui servent à localiser, par l'intermédiaire d'une communication active avec un satellite et des moyens de localisation courte distance, la position d'un navire, d'un véhicule, d'un aéronef ou d'une personne en perdition dans un endroit désert et tout particulièrement sur la mer. Les explications seront données dans ce brevet à propos du système de repérage Cospas Sarsat mais l'invention est applicable en dehors de ce système. Cospas-Sarsat est un système de satellites conçu pour fournir des informations d'alerte et de localisation destinées à assister des opérations de recherches et de sauvetage. Le système Cospas-Sarsat est composé : - de radiobalises de détresse à usage aérien, maritime ou personnel, qui émettent des signaux en cas de détresse à deux fréquences différentes, l'une de 121,5 MHz et l'autre de 406 MHz, - d'instruments installés à bord de satellites en orbite géostationnaire et en orbite terrestre basse altitude ; ces instruments détectent les signaux émis par les radiobalises de détresse, - de stations terriennes de réception, qui reçoivent et traitent les signaux transmis sur la liaison descendante du satellite, pour générer les alertes de détresse ; - de centres de contrôle de mission qui reçoivent les alertes produites par les stations terriennes de réception et les envoient à un centre de coordination de sauvetage, ou à un point de contact approprié. Le système Cospas-Sarsat comprend deux types de satellites : - des satellites en orbite géostationnaire qui peuvent fournir des alertes presque immédiates dans la zone de couverture des satellites, - des satellites en orbite terrestre basse altitude dont les instruments permettent de calculer la position de la balise à partir de la mesure du décalage entre la fréquence émise par la balise et la fréquence reçue par le satellite, ce décalage étant dû à l'effet Doppler résultant du mouvement du satellite. On va décrire une balise de détresse à usage personnel selon l'état de la technique. Cette balise à alimentation autonome représentée figure 1 comprend un boîtier (non représenté sur cette figure) et une antenne 30. Une carte de circuit imprimé 10 et les piles 18 auxquelles elle est 5 connectée sont logées dans le boîtier. Sont montés sur la carte de Cl, différents composants permettant à la balise de fonctionner lorsqu'elle est activée, parmi lesquels : - Un synthétiseur de fréquence 12 apte à synthétiser lesdites fréquences qui comprend en particulier une boucle à verrouillage de phase 121 ( ou � Phase Locked Loop � en anglais). Ces fréquences sont synthétisées en particulier à partir d'un oscillateur de référence de type OCXO ou TCXO 13 apte à fournir une fréquence stable en température au synthétiseur de fréquence. Cet oscillateur 13 a également pour fonction de sélectionner la fréquence imposée par la norme Cospas-Sarsat en vigueur (il existe en effet pour la bande de fréquences de 406 MHz plusieurs canaux espacés de 3 kHz). Un micro contrôleur 11 qui a une fonction de séquenceur pour piloter les instants d'émission périodiques d'un signal de détresse et une fonction de contrôleur d'un composant du synthétiseur de fréquence notamment la boucle à verrouillage de phase 121. L'oscillateur de référence peut servir de signal d'horloge pour rythmer le séquenceur 11. Un circuit d'alimentation 17 relié aux piles 18 et à un convertisseur-élévateur 15. Le synthétiseur de fréquence 12 est relié en sortie à deux voies d'émission d'un signal de détresse, l'une à 406 MHz, une autre à 121,5 MHz. La première voie d'émission émet périodiquement un signal de détresse à 30 406 MHz, typiquement pendant environ 500 millisecondes toutes les 50 secondes selon la norme Cospas Sarsat. La deuxième voie d'émission émet périodiquement un signal de détresse à 121,5 MHz à des instants différents des instants d'émission à 406 MHz. 10 15 20 25 La première voie d'émission comprend un amplificateur 14a relié à un circuit d'adaptation 16 lui-même relié à une antenne 30 de type fouet demi-onde à 406 MHz. La deuxième voie d'émission comprend un autre amplificateur 14b relié au même circuit d'adaptation 16. La même antenne 30 est utilisée pour les deux fréquences, avec un gain de rayonnement différent selon la fréquence d'émission. Les applications usuelles des balises de détresse sont telles que la balise doit être alimentée par des piles autonomes et doit pouvoir fonctionner pendant une durée suffisante pour permettre la localisation en continu jusqu'à l'arrivée des secours. La norme Cospas Sarsat prévoit que l'émission d'un signal de détresse à 406 MHz doit durer au moins 24 heures et que l'émission d'un signal de détresse à 121,5 MHz doit durer au moins 48h. II existe actuellement une balise à usage personnel fonctionnant à 406 et 121,5 MHz ayant un encombrement de 35,5 mm x 149 mm x 56 mm ; l'antenne déployée mesure 32 cm, avec un gain de 2 à 3 dBi à 406 MHz et un gain inférieur à -10 dBi à 121,5 MHz. Cette balise comprend au moins 6 piles lithium CR123, 3 V (Dimensions : diamètre 17 mm, hauteur 34,5 mm) qui lui procurent l'autonomie requise par la norme. Cet encombrement est encore trop important pour que la balise puisse être intégrée dans n'importe quel équipement embarqué par l'utilisateur. Le but de l'invention est de miniaturiser la balise de détresse pour pouvoir l'intégrer dans n'importe quel équipement embarqué par l'utilisateur. Plus précisément l'invention a pour objet une balise de détresse à alimentation autonome qui comporte deux voies d'émission à une première et une deuxième fréquence et qui comprend une carte de circuit imprimé pourvue d'un micro contrôleur, et d'un synthétiseur de fréquence apte à synthétiser lesdites fréquences, ces deux composants étant communs aux deux voies d'émission et pourvue d'un amplificateur distinct par voie d'émission. Elle est principalement caractérisée en ce que chaque amplificateur est relié à une antenne hélicoïdale distincte par voie d'émission et en ce que les deux amplificateurs sont des amplificateurs de classe F et/ou F 1. Cette technologie de balise permet ainsi de diminuer la consommation d'énergie, l'encombrement du boîtier et celui des antennes. De préférence, elle comprend sur la voie d'émission à 121,5 MHz, un adaptateur entre l'amplificateur et l'antenne. Elle comprend avantageusement une batterie au lieu de piles. Les amplificateurs des deux voies d'émission sont par exemple de même classe. Selon un premier mode de réalisation préférentiel, la carte de circuit imprimé est disposée dans un boîtier relié à une poignée et les 10 antennes sont intégrées à cette poignée. Selon un deuxième mode de réalisation préférentiel, le boîtier est relié à un clapet pivotant et les antennes sont intégrées à ce clapet. Selon une variante de l'invention, le synthétiseur est apte à synthétiser une troisième fréquence et ce synthétiseur est en outre relié en 15 sortie à un troisième amplificateur de classe F ou F', lui-même relié en sortie à une troisième antenne hélicoïdale adaptée à cette troisième fréquence. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non 20 limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement les principaux éléments d'une balise selon l'état de la technique, la figure 2 représente schématiquement les principaux éléments d'une balise selon l'invention, 25 la figure 3 représente schématiquement les principaux éléments d'un amplificateur, les figures 4 représentent principalement un schéma électrique du réseau d'adaptation de sortie d'un amplificateur de classe F (fig 4a) et celui d'un amplificateur de classe F-1 (fig 4b), 30 les figures 5 représentent schématiquement des exemples de réalisation d'une balise à poignée (fig 5a) et d'une balise à clapet (fig 5b). D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. Pour diminuer l'encombrement et le poids de la balise, la carte électronique et l'antenne sont miniaturisées et le volume et le poids de l'alimentation électrique sont réduits. Comme dans l'exemple décrit en préambule, la balise à 5 alimentation autonome selon l'invention présentée figure 2, comprend une carte de circuit imprimé 10 sur laquelle on retrouve : un micro contrôleur 11 relié à une interface utilisateur 21, un synthétiseur de fréquence 12 qui comprend une boucle à verrouillage de phase 121 et un synthétiseur direct numérique 10 (ou � Direct Digital Synthetiser � en anglais) 122, qui a pour fonction de corriger la dérive en température, une référence de fréquence 13. Le synthétiseur est de préférence intégré dans une puce unique désignée Asic 12. Il est relié en sortie à des éléments distincts pour chaque 15 voie d'émission d'un signal de détresse, l'une à 406 MHz, une autre à 121,5 MHz et éventuellement à une troisième voie d'émission à 243 MHz. Selon l'invention, ces éléments distincts d'une voie d'émission à l'autre comprennent un amplificateur 14a, 14b et une antenne 30a, 30b. La voie d'émission à 406 MHz ne comprend pas d'adaptateur, tandis que celle à 20 121,5 MHz inclut de préférence un adaptateur 16b entre l'amplificateur 14b et l'antenne 30b, comme on le verra plus loin. Pour chacune des fréquences, la puissance rayonnée de l'antenne et la puissance de sortie de l'amplificateur sont déterminées, en l'occurrence par la norme Cospas-Sarsat. Pour la fréquence de 406 MHz par 25 exemple, la puissance de sortie de l'amplificateur Pout doit être dimensionnée de manière à avoir une puissance au niveau du connecteur antenne comprise entre 35 dBm et 39 dBm. Pour la fréquence de 121,5 MHz, la puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) doit être comprise entre 14 dBm et 20 dBm pour une balise de détresse portable et pour la troisième 30 fréquence de 243 MHz, la puissance de sortie Poät doit être généralement de 20 dBm. On a vu aussi que pour diminuer l'encombrement et le poids de la balise, on souhaite réduire ceux de l'alimentation électrique ; ceci est possible si la consommation électrique de la balise et donc de la carte sont diminuées. Cela se traduit en particulier par une faible puissance de sortie du 35 synthétiseur de fréquence. Pour atteindre à l'entrée de l'antenne 30a ou 30b la puissance Pont spécifiée (même s'il s'agit de la puissance minimale de 35 dBm), à partir d'une faible puissance d'entrée de l'amplificateur, en l'occurrence la puissance de sortie du synthétiseur 12 et pour minimiser la consommation, on utilise donc un amplificateur 14 (a ou b) à haut rendement. Et pour minimiser la puissance de sortie de l'amplificateur, on utilise une antenne 30 (a ou b) à efficacité maximale. La consommation des amplificateurs de puissance a également un impact direct sur la taille des piles qui alimentent la carte électronique de la balise de détresse. On utilise donc des amplificateurs de classe de fonctionnement F et/ou F-1 car cette structure présente l'avantage de pouvoir atteindre des rendements de l'ordre de 70% pour minimiser la consommation. L'amplificateur 14 (a ou b) comprend un transistor 141 relié en entrée à un réseau d'adaptation d'entrée 142 et en sortie à un réseau d'adaptation de sortie 143 comme on le voit figure 3. Le réseau d'adaptation d'entrée 142 est relié au synthétiseur de fréquence 12, symbolisé par un générateur et une impédance de 50 Ohms ; le réseau d'adaptation de sortie 143 est relié à l'antenne (30a) ou à l'adaptateur (16b). Ces éléments ont été conçus selon les caractéristiques suivantes. L'étage d'adaptation de sortie d'un amplificateur 14 (a ou b) de classe F, détaillé figure 4a présente un court-circuit pour les harmoniques paires H2n (comportant un condensateur en série avec une inductance), et un circuit ouvert pour les harmoniques impaires H2n+1 (comportant un condensateur en parallèle avec une inductance), la valeur de n se limite généralement à 1 afin de limiter la complexité du réseau de sortie. Le courant de drain Id(t) a la forme d'une demi-sinusoïde et la tension de drain Vd(t), celle d'un signal carré. De plus, le courant et la tension de drain sont déphasés de façon à ce que Vd(t) x Id(t) = 0. Pour les amplificateurs de classe F-1, l'étage d'adaptation de sortie détaillé figure 4b présente un circuit ouvert pour les harmoniques paires H2n (comportant un condensateur en parallèle avec une inductance) et un court-circuit pour les harmoniques impaires H2n+1 (comportant un condensateur en série avec une inductance). Le courant de drain Id(t) a la forme d'un signal carré et la tension de drain Vd(t), celle d'une demi-sinusoïde. De même que pour l'amplificateur de classe F, le courant et la tension de drain sont déphasés de façon à ce que Vd(t) x Id(t) = O. La zone de fonctionnement optimal du transistor aux fréquences envisagées, est calculée ; les réseaux d'adaptation d'entrée et de sortie sont 5 définis en fonction de cette zone de fonctionnement. De cette façon on obtient des amplificateurs avec des rendements de l'ordre de 70%. Un tel amplificateur permet par exemple pour la fréquence de 406 MHz d'atteindre une puissance de sortie de la balise de 35 dBm. De même l'amplificateur de la voie d'émission à 121,5 MHz permet d'atteindre 10 une puissance de sortie de 14 dBm. On peut utiliser un amplificateur de classe F ou de classe F 1 sur chacune des voies, ou un amplificateur de classe F sur l'une des voies, et un amplificateur de classe F 1 sur l'autre. On obtient ainsi une carte de circuit imprimé à consommation réduite. On peut alors avantageusement remplacer les piles par une batterie 15 18' montrée figure 2. On peut éventuellement ajouter sur la carte un convertisseur 15 continu-continu élévateur de tension relié à chaque composant de la carte, qui a pour fonction de compenser la baisse de tension de la batterie. La nouvelle carte de circuit imprimé permet ainsi de diminuer : 20 la consommation d'énergie de la balise de 30% et ainsi de diminuer le poids et la taille de la batterie, l'encombrement du boîtier de 80%. Afin d'obtenir des puissances de sortie des amplificateurs minimales, on utilise des antennes 30a, 30b à rendement optimal. Dans un 25 souci de réduction de l'encombrement global de la balise, ces antennes sont des antennes hélicoïdales ce qui permet de réduire leur taille par rapport à une antenne demi-onde tout en conservant des caractéristiques radioélectriques similaires. En effet, à la fréquence F de 406 MHz (soit À = c/F= 74 cm), l'antenne demi-onde a une longueur d'environ 35 cm alors que 30 l'antenne hélicoïdale a une longueur d'environ 10 cm. Cette longueur est obtenue de la façon suivante. L'antenne hélicoïdale a un diamètre d'environ 6 mm et elle est constituée de 27 spires jointives réalisées avec un fil de cuivre d'environ 0.5 mm de diamètre. L'antenne hélicoïdale 30a à 406 MHz a typiquement un gain de - 35 2dBi. L'antenne hélicoïdale de la voie d'émission à une fréquence inférieure 30b par exemple 121,5 MHz, a également une longueur d'environ 10 cm. Elle a un diamètre d'environ 6 mm et elle est constituée de 116 spires jointives réalisées avec un fil de cuivre d'environ 0.5 mm de diamètre. Elle est très sélective et est donc de préférence associée à un circuit d'adaptation 16b de type LC qui permet d'élargir la bande passante de l'antenne et ainsi d'être moins sensible à l'environnement. L'antenne hélicoïdale à 121,5 MHz a typiquement un gain de -4dBi. Le rayonnement de ces antennes 30a, 30b est sensiblement 10 omnidirectionnel. Pour des raisons pratiques, ces antennes sont avantageusement rigides. Selon un premier mode de réalisation d'une balise 100 bifréquence, décrite en relation avec la figure 5a, le boîtier 20 sur lequel sont 15 représentés une interface utilisateur 21, a la forme d'un parallélépipède rectangle de dimensions L x I x e. II est muni d'une poignée 40 pivotante en U qui en position de rangement, l'entoure sur 3 côtés au niveau de l'épaisseur e, et dans laquelle sont intégrées les antennes 30a et 30b. Elles sont par exemple moulées dans la poignée. Les antennes 30a et 30b sont 20 situées de chaque côté du boîtier 20 et sont reliées mécaniquement par le petit côté de la poignée 40 de manière à se déployer en même temps. En position de fonctionnement de la balise, les antennes (et donc la poignée) sont par exemple orientées à environ 135° par rapport aux faces Lx I du boîtier. Une telle balise a été réalisée avec un boîtier de longueur L égale à 25 100 mm, et des antennes de même longueur L ; un boîtier de longueur L égale à 55 mm a également été réalisé. Selon un deuxième mode de réalisation montré figure 5b, les antennes hélicoïdales 30a et 30b sont comme précédemment situées de chaque côté du boîtier 20 formant ainsi les bords d'un clapet 50 pivotant qui 30 fermé, recouvre une face L x I du boîtier. De même que dans le mode de réalisation précédent, les deux antennes 30a et 30b se déploient en même temps. Selon un troisième mode de réalisation, les antennes hélicoïdales sont intégrées dans un même bras pivotant qui en position de rangement est 35 situé le long d'un côté L du boîtier. Ce bras présente une partie de longueur fixe et une partie extensible qui permet d'étirer l'antenne. L'antenne hélicoïdale déployée a une longueur totale de 20cm. Un circuit � bouchon � (de type inductance et capacité en parallèles) est placé judicieusement entre le brin inférieur d'une longueur de 10 cm et le brin supérieur d'une longueur de 10 cm. A 406 MHz, seul le brin inférieur est actif tandis qu'à 121.5MHz, les brins inférieur et supérieur sont actifs. Avant d'être déployé le brin supérieur de l'antenne est logé dans le brin inférieur. Selon un autre mode de réalisation de la balise, les 2 antennes ne sont pas solidaires l'une de l'autre comme dans les cas précédents. Elles sont par exemple fixées sur le côté du boîtier de part et d'autre de celui-ci et peuvent être déployées indépendamment l'une de l'autre. Une balise selon l'invention a été réalisée avec un boîtier de dimensions 100 mm x 35 mm x 25 mm incluant une batterie de trois piles de type CR123A (diamètre 1.7 cm, hauteur 3.5 cm).15 REVENDICATIONS1. Balise de détresse (100) à alimentation autonome qui comporte deux voies d'émission à une première et une deuxième fréquence, qui comprend une carte de circuit imprimé (10) pourvue d'un micro contrôleur (11), et d'un synthétiseur de fréquence (12) apte à synthétiser lesdites fréquences, ces deux composants étant communs aux deux voies d'émission et pourvue d'un amplificateur (14a, 14b) distinct par voie d'émission, caractérisée en ce que chaque amplificateur (14a, 14b) est relié à une antenne hélicoïdale (30a, 30b) distincte par voie d'émission et en ce que les deux amplificateurs (14a, 14b) sont des amplificateurs de classe F et/ou 2. Balise selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la première fréquence est égale à 406 MHz, la seconde à 121,5 MHz. 3. Balise selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'il comprend sur la voie d'émission à 121,5 MHz, un adaptateur (16b) entre l'amplificateur (14b) et l'antenne (30b). 4. Balise selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il comprend une batterie (18'). 5. Balise selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les amplificateurs (14a, 14b) sont de même classe. 6. Balise selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce 30 que la carte de circuit imprimé (10) est disposée dans un boîtier (20) relié à une poignée (40) et en ce que les antennes (30a, 30b) sont intégrées à cette poignée. 7. Balise selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la 35 carte de circuit imprimé (10) est disposée dans un boîtier (20) relié à25un clapet pivotant (50) et en ce que les antennes (30a, 30b) sont intégrées à ce clapet. 8. Balise selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le synthétiseur (12) est apte à synthétiser une troisième fréquence et en ce que ce synthétiseur est en outre relié en sortie à un troisième amplificateur de classe F ou F 1, lui-même relié en sortie à une troisième antenne hélicoïdale adaptée à cette troisième fréquence. 9. Balise selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la troisième fréquence est égale à 243 MHz.