Brevet FR2940531A1 — publié le 20100625

ANTENNE OMNIDIRECTIONNELLE TRES LARGE BANDE L'objet de l'invention concerne une antenne omnidirectionnelle large bande. Dans la suite de la description, l'expression � large bande � vise des plages 5 de fréquence variant, par exemple, de 100 à 3000MHz. Elle est utilisée notamment dans le domaine des antennes ou systèmes antennaires dédiés à des applications d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques dans une très large bande de fréquence. Elle est mise en oeuvre par exemple pour le brouillage de communications 10 s'effectuant depuis le sol jusqu'à l'horizon. De manière plus générale, comme l'antenne est transposable en fréquence, l'antenne selon l'invention peut être utilisée dans d'autres bandes de fréquence aussi bien pour des applications d'émission que de réception. Ce concept d'antenne permet notamment une intégration sur différents porteurs 15 de type terrestre, naval ou aéroporté. Elle est, par exemple, intégrée sur le toit d'un porteur mobile tel qu'un véhicule militaire ou civil. Pour les systèmes antennaires d'émission et de réception embarqués sur un porteur mobile, notamment ceux dédiés à des applications de brouillage ou 20 de protection de convois, différents problèmes techniques sont à résoudre. Un premier problème est d'être capable de couvrir une large bande fréquentielle supérieure à la décade avec le même élément rayonnant. Un deuxième problème est d'avoir une antenne auto-adaptée sur cette bande de fréquence de manière à pouvoir rayonner des puissances d'émission 25 comprises entre, par exemple, 100 et 500 W sans risque d'endommagement. Un troisième problème technique est d'optimiser l'orientation du diagramme de rayonnement depuis l'horizon vers le bas de manière à assurer une couverture radioélectrique rendant le brouillage efficace au sol (ou perturbation d'un signal ou de signaux par des ondes) et cela sur la totalité 30 de la bande couverte par l'antenne. Ceci doit être obtenu quelque soit le type de porteur mobile. Un quatrième problème technique concerne la discrétion des éléments rayonnants lorsque la bande de fréquence commence à quelques dizaines de MHz. Notamment, pour des applications de brouillage destinées à de la protection de zones ou de véhicules, le système antennaire ne doit pas être identifiable et il doit être dimensionné de manière à respecter le gabarit routier du porteur mobile (minimisation de la hauteur et de la largeur qui est aussi prise en compte). Un cinquième problème technique est de pouvoir optimiser le découplage entre deux systèmes antennaires (émission/réception) intégrés sur un même porteur de petites dimensions, ceci afin que ces systèmes fonctionnent de manière optimale. Dans le cas d'un porteur mobile de type véhicule, les antennes sont généralement situées sur le toit de celui-ci. Les antennes étant proches l'une de l'autre et en visibilité directe, lors d'une utilisation simultanée le système d'émission vient perturber le système de réception (phénomènes d'intermodulation, de saturation, ...) l'empêchant de fonctionner avec des performances optimales. Différentes structures antennaires sont connues du Demandeur, telles que, les antennes de type monopôle, les antennes sabre, les antennes de type dipôle, les antennes biconique ou discône, ou encore les antennes chargées à l'aide d'une résistance ou d'une boîte d'accord. Ces antennes présentent certains inconvénients, par exemple : • Une largeur de bande limitée nécessitant l'utilisation de deux antennes pour couvrir la bande 100-3000 MHz, accentuant les phénomènes de couplage et de masquage entre antennes lorsqu'elles sont installées proches l'une de l'autre, • Un encombrement généralement important pour les fréquences 25 basses ne répondant pas au critère de discrétion et de gabarit routier comme, par exemple, pour des applications de brouillage dédiées à la protection de convois ; • Des gains à l'horizon faibles et un rayonnement électromagnétique non optimisé pour des applications d'émission au sol et à l'horizon 30 telles que les applications de protection de convois ; celui-ci évoluant en fonction du porteur ; • Des pertes dues aux éléments résistifs permettant l'adaptation de l'antenne sur la bande d'utilisation. Ces éléments résistifs ne permettent pas de rayonner la totalité de la puissance appliquée à l'antenne et limitent souvent la tenue en puissance de l'antenne. • La structure antennaire selon l'invention permet de résoudre au moins un ou plusieurs des problèmes précités. L'invention concerne une antenne à guide ouvert très large bande travaillant dans une gamme de fréquences choisie. L'antenne a une couverture radioélectrique azimutal omnidirectionnelle à polarisation linéaire verticale. Elle est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins les éléments suivants : • Une première plaque conductrice ayant une longueur LI et une largeur 11, de surface S1, • Une deuxième plaque conductrice ayant une longueur L2 et une 15 largeur 12, de surface S2, • Les deux plaques étant séparées par un écartement E, • Un moyen d'excitation (ou excitateur) large bande ayant une surface externe et un profil de surface adaptés à générer un champ électrique à polarisation verticale linéaire créé entre les deux plaques sous l'effet 20 d'un signal appliqué en un point d'excitation de ladite antenne, ledit champ électrique ainsi généré se propageant au sein d'une structure de guidage formée par la plaque supérieure, la plaque inférieure et le moyen d'excitation large bande. Les plaques conductrices peuvent être réalisées avec un matériau 25 métallique. Le moyen d'excitation large bande a, par exemple, une forme pseudoconique. L'excitateur large bande peut être constitué de facettes conductrices telles que des facettes métalliques, de tissu métallique (ou métallisé) ou de tiges métalliques. La forme de l'excitateur large bande 30 contribue également à l'auto-adaptation de l'antenne. Selon un mode de réalisation, l'antenne comporte des éléments disposés à chaque extrémité de la plaque supérieure. Ces éléments sont destinés, notamment, à améliorer les performances d'adaptation de ladite antenne aux basses fréquences. Par exemple la plaque supérieure, ayant une forme carrée ou rectangulaire, comporte des cylindres disposés sur ses quatre côtés. Les cylindres ou autres éléments font un angle d'environ 15° avec la plaque supérieure. L'antenne peut accepter ou supporter sur la deuxième plaque ou plaque supérieure une antenne d'interception ou de communication favorisant le 10 découplage entre elle et ladite antenne selon l'invention. L'antenne a été conçue pour s'adapter à différents types de porteur mobile. La fréquence de fonctionnement peut être comprise entre 100 et 3000 MHz, et l'indépendance vis-à-vis du porteur est avérée à partir de 300 MHz. Dans un mode de réalisation la plaque inférieure peut être directement réalisée par 15 le toit d'un véhicule ou par une surface conductrice (ou métallique d'un porteur. L'antenne selon l'invention peut être utilisée pour des structures antennaires d'émission et de réception dans les bandes HF, VHF ou UHF . D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention 20 apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent : • La figure 1A, une vue de côté de la structure de l'antenne selon l'invention, 25 • La figure 1B, une vue de dessus, de la figure 1A, • La figure 1C, une vue de coupe de la partie inférieure de l'excitateur de l'antenne, • La figure 2, le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence d'utilisation de l'antenne, • La figure 3, un diagramme de rayonnement en polarisation verticale tracé pour différentes fréquences montrant l'omnidirectionnalité de l'antenne selon l'invention, • La figure 4, différents diagrammes de rayonnement en élévation et polarisation verticale obtenus pour différentes valeurs de fréquence dans le plan perpendiculaire au grand coté de l'antenne, et • La figure 5, des diagrammes similaires à ceux de la figure 4 dans le plan perpendiculaire au petit côté de l'antenne. Afin de mieux faire comprendre la structure d'antenne à guide ouvert très large bande et omindirectionnelle selon l'invention, la description qui suit vise une utilisation pour l'émission d'ondes électromagnétiques en dessous de l'horizon (c'est-à-dire vers le bas) dans le plan vertical et sur 360° d'azimut dans le plan horizontal pour une bande de fréquence comprise entre 100 et 3000 MHz. Elle offre, par exemple, une orientation optimisée d'un diagramme de rayonnement préférentiellement dirigé entre l'horizon et le sol de manière à assurer une zone d'efficacité de brouillage au sol et cela sur la totalité de la bande couverte par l'antenne. L'antenne selon l'invention est destinée à être positionnée sur un porteur P non représenté pour des raisons de simplification. La figure 1A décrit une vue de côté d'une antenne selon l'invention constituée, par exemple, d'une plaque inférieure 1 conçue avec un matériau conducteur tel qu'un matériau métallique ayant une longueur LI de 2000mm par exemple et une largeur 11 de 1700 mm. Cette plaque peut être une partie métallique planaire ou sensiblement planaire quelconque d'un porteur P. Une deuxième plaque conductrice qui dans cet exemple correspond à la plaque supérieure 2 et ayant une longueur L2 dans cet exemple de 2400 mm et une largeur 12 de 2100mm (figure 1B) forme le plan supérieur de l'antenne. La plaque 1 formant le plan inférieur et la plaque 2 formant le plan supérieur, peuvent avoir une surface identique. Le rapport des surfaces correspondantes SI et S2 est compris par exemple entre 0.5 et 1 inclus. Les deux plaques peuvent être constituées du même matériau métallique. La plaque inférieure 1 et la plaque supérieure 2 sont espacées d'une distance ou écart E. La valeur de l'écartement E entre les deux plaques est choisie en fonction de la fréquence minimale d'utilisation. Ainsi, l'écartement E peut être inférieur à la longueur d'onde, correspondant à la fréquence minimale de fonctionnement, divisée par 8. En règle générale, plus les dimensions des plaques seront grandes et plus l'écartement des plaques pourra être diminué. Les dimensions ci-dessus sont données à titre illustratif. En effet, les dimensions du plan supérieur peuvent être inférieures ou égales aux dimensions du plan inférieur suivant l'orientation voulue du rayonnement, vers le sol, l'horizon ou encore le ciel. La forme des plaques peut être rectangulaire, circulaire, carrée, ovoïde ou polygonal complexe selon la surface acceptable par le porteur et la spécification relative à l'omnidirectionalité des diagrammes de rayonnement. Un excitateur large bande 3 et 5 est disposé entre les deux plaques 1, 2. II a notamment pour fonction d'établir un champ électrique E guidé entre les deux plans et sa paroi externe S3. L'excitateur peut être constitué de plusieurs facettes conductrices (métalliques, par exemple) 3i dont le profil de leur paroi externe a été optimisé pour obtenir une bande de fréquences comprise entre 100 et 3000 MHz. L'assemblage des différentes facettes 3i (par exemple, à symétrie de révolution), ainsi que leur profil sont choisis pour assurer une transition progressive et omnidirectionnelle du champ électrique entre un point d'excitation 4 disposé au niveau du plan inférieur 1 et le plan supérieur 2. Le point d'excitation 4 est, par exemple, un cylindre conducteur formé par exemple dans un matériau métallique usiné, réalisant l'interface mécanique et électrique entre l'âme du connecteur 11 (figure 1C) et l'excitateur large bande 5 et 3. Les facettes 3i peuvent être métalliques, en tissu métalliques ou encore formées de tiges métalliques. Les facettes 3i sont, par exemple, reliées à l'aide de vis métalliques (ou conductrice). Tout autre fixation permettant une continuité électrique entre les deux parties peut être envisagée. Il est aussi possible d'utiliser une technique de type mécano soudé. Les différentes pièces métalliques 3, 4 et 5 sont, par exemple, vissées ou emboîtées les unes avec les autres de manière à assurer une bonne tenue mécanique et une continuité électrique depuis l'âme du connecteur 11 jusqu'à la jonction excitateur ù plaque supérieure 2. Toute autre technique permettant un assemblage assurant d'une part une tenue mécanique et d'autre part une continuité électrique peut être utilisée. L'association des éléments 3 et 5 forme l'excitateur large bande. L'ensemble présente une surface externe Se et un profil de surface Ps adaptés à générer un champ électrique à polarisation verticale linéaire créé entre les deux plaques 1, 2, sous l'effet d'un signal appliqué en un point d'excitation de l'antenne, ledit champ électrique se propageant au sein d'une structure de guidage formée par la plaque supérieure, la plaque inférieure et le moyen d'excitation. Le cône métallique 5 permet d'assurer l'interface mécanique et électrique entre les facettes 3i et le point d'excitation 4. L'excitateur peut prendre différentes formes et être constitué d'une ou plusieurs pièces du moment que cette transition progressive est assurée entre les deux plans ou les deux plaques. La transition progressive est définie dans le cadre de l'invention comme une transition ou profil mécanique progressif à symétrie de révolution entre le point d'excitation 4 et la plaque supérieure 2 permettant une adaptation d'impédance très large bande. Le moyen d'excitation large bande génère, par exemple, un champ électrique à polarisation verticale. Le moyen d'excitation large bande est, par exemple, adapté à créer un champ électrique se propageant entre les deux plaques ladite antenne générant un rayonnement radioélectrique omnidirectionnel en azimut orienté vers le sol et l'horizon.30 L'utilisation de facettes pour constituer la paroi externe de l'excitateur offre notamment comme avantages de faciliter le montage et la fabrication du système. L'excitation des facettes 3i est assurée par un cylindre métallique conique 5 au sommet duquel est placé le point d'excitation 4 et à la base duquel sont fixées les facettes métalliques 3i. Cette partie 5 du système n'est pas nécessairement conique, mais peut être de forme cylindrique, hémisphérique, à profil exponentiel ou logarithmique, selon des formes et profils connus de l'Homme du métier. Selon un mode de réalisation qui permet d'améliorer les performances en terme d'adaptation sur des porteurs de petites dimensions, tels que des 4*4, la structure antennaire selon l'invention peut être pourvue de cylindres métalliques 6 (ou d'ailettes de forme par exemple rectangulaire) disposés aux extrémités des plaques, par exemple, aux quatre coins du plan métallique supérieur. A travers l'exemple proposé dans l'invention, ces cylindres mesurent 393 mm de longueur pour un diamètre de 40 mm. La présence et les dimensions de ces éléments dépendent des dimensions des plaques et de la valeur de l'écartement par rapport à la bande fréquentielle à couvrir. Afin d'éviter de perturber le rayonnement dans les fréquences hautes de la bande de fonctionnement, les cylindres, sont par exemple inclinés d'environ 15° par rapport au plan métallique supérieur 2. Les ailettes (ou cylindres) sont ajoutées pour améliorer l'adaptation d'impédance aux basses fréquences si les plaques métalliques ne sont pas suffisamment grandes. Elles sont inclinées avec un certain angle par rapport à l'horizontal afin d'optimiser le rayonnement et l'adaptation d'impédance en bande basse. Pour des valeurs d'angle plus importantes, les diagrammes de rayonnement sont dégradés. Pour des valeurs d'angle moins importantes, l'amélioration au niveau de l'adaptation d'impédance aux basses fréquences est moins prononcée. Afin de conserver un espacement E constant entre les deux plans, et assurer un maintien mécanique de l'antenne, des entretoises 7 réalisés dans un matériau résistant tel que du Téflon marque déposée et commercialisée, sont placées aux quatre coins du plan métallique inférieur et du plan métallique supérieur, ainsi qu'au centre de l'antenne une entretoise 8. Ces entretoises peuvent être réalisées dans tout type de matériau, de préférence en matériau diélectrique de permittivité relativement faible afin de perturber le moins possible le rayonnement émis ou reçu par l'antenne. Afin d'assurer le maintien mécanique du cylindre conique 5, un support 9 en mousse de permittivité relative proche de 1 a été ajoutée autour du cylindre permettant l'excitation. Cet élément permet en outre de conserver une distance entre le point d'excitation 4 et le sommet du cylindre 5 constante ou sensiblement constante. Un dispositif augmentant la rigidité mécanique de l'ensemble 10 peut être ajouté. Le point d'excitation 4 est relié d'un côté à un connecteur 11 de type N pour assurer la tenue en puissance et de l'autre à la base 5 de l'antenne. Toutefois, sans sortir du cadre de l'invention, le dispositif peut être alimenté par tout type de connecteur selon l'application visée. Selon un mode de réalisation, l'antenne peut aussi accepter ou supporter une antenne d'interception ou de communication disposée sur la plaque supérieure 2 favorisant le découplage entre elles. La figure 2 présente l'évolution des pertes par désadaptation de l'antenne en fonction de la fréquence, sur la bande 100 MHz û 3000 MHz, obtenue en simulation et en mesure. Cette figure permet de constater un ROS L'antenne à guide ouvert très large bande décrite aux figures précédentes peut par exemple être utilisée pour des antennes ou systèmes antennaires dédiées à des applications de brouillage ou de radiocommunication dans les bandes haute fréquences HF, très haute fréquence VHF ,ou encore ultra haute fréquence UHF. L'antenne large bande selon l'invention offre notamment les avantages suivants : • L'utilisation dans certains cas d'une antenne unique qui évite les 10 phénomènes de couplage et de masquage entre antennes lorsqu'elles sont installées proches l'une de l'autre, • Une antenne très large bande à polarisation verticale tout en possédant une couverture radioélectrique omnidirectionnelle en azimut , 15 • Une antenne munie d'un excitateur très large bande qui permet l'auto-adaptation de l'antenne et dont la limite de tenue en puissance et celle du connecteur. • Une antenne très large bande dont le concept de réalisation lui permet d'être facilement transposable en fréquence. 20 • Un encombrement (hauteur) minimisé pour les fréquences basses qui répond aux critères de discrétion et de gabarit routier lorsque l'antenne est intégrée sur un porteur mobile type véhicule, • Des gains à l'horizon et un rayonnement optimisé préférentiellement pour des applications d'émission au sol et à l'horizon ; le rayonnement 25 de l'antenne est moins sensible à la nature du porteur puisque le rayonnement radioélectrique est obtenu à partir d'ondes guidées rayonnées, • Le concept d'antenne selon l'invention permet la superposition de deux antennes d'émission/réception en garantissant un bon 30 découplage sans que l'ensemble soit trop volumineux en hauteur, • Une absence de pertes dues aux éléments résistifs généralement utilisés dans les systèmes antennaires de l'art antérieur, et de fait la possibilité de rayonner la totalité de la puissance appliquée à l'antenne. REVENDICATIONS1 ù Antenne à guide ouvert très large bande travaillant dans une gamme de fréquences choisie et omnidirectionnelle et destinée à être positionnée sur un 5 porteur caractérisée en ce qu'elle comporte au moins les éléments suivants : • Une première plaque conductrice (1) ayant une longueur L1 et une largeur 11, de surface S1, • Une deuxième plaque conductrice (2) ayant une longueur L2 et une largeur 12, de surface S2, 10 • Les deux plaques (1), (2) étant séparées par un écartement E, • Un moyen d'excitation large bande (3, 5) ayant une surface externe et un profil de surface adaptés à générer un champ électrique à polarisation verticale linéaire créé entre les deux plaques (1, 2) sous l'effet d'un signal appliqué en un point d'excitation (4) de ladite 15 antenne, ledit champ électrique ainsi généré se propageant au sein d'une structure de guidage formée par la première plaque (1), la deuxième plaque (2) et le moyen d'excitation large bande (3, 5). 2 ù Antenne large bande selon la revendication 1 caractérisée en ce que le 20 moyen d'excitation large bande (3, 5) a une forme pseudo-conique. 3 - Antenne selon la revendication 1 et 2 caractérisée en ce que la fréquence de fonctionnement est comprise entre 100 et 3000 MHz, et en ce que l'indépendance du porteur est avérée à partir de 300 MHz. 4 - Antenne selon la revendication 1 et 2 caractérisée en ce que le moyen d'excitation large bande génère un champ électrique à polarisation verticale. - Antenne selon la revendication 1 et 2 caractérisée en ce que le moyen 30 d'excitation large bande est adapté à créer un champ électrique se propageant entre les deux plaques (1), (2), ladite antenne générant un 25rayonnement radioélectrique omnidirectionnel en azimut orienté vers le sol et l'horizon. 6 û Antenne selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce qu'elle 5 comporte un excitateur large bande constitué de facettes conductrices, de tissu métallique ou de tiges métalliques. 7 û Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que le rapport des surfaces S1/S2 des plaques inférieure (1) et supérieure (2) est compris dans 10 l'intervalle ouvert 0,5 et 1. 8 û Antenne selon l'une des revendications 2 à 7 caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs éléments (6) disposés à chaque extrémité de la deuxième plaque ou plaque supérieure (2) adaptés à améliorer les 15 performances d'adaptation de ladite antenne. 9 û Antenne selon la revendication 8 caractérisée en ce que la plaque supérieure (2) ayant une forme carrée ou rectangulaire comporte des cylindres (6) disposés sur ses quatre côtés. 10 û Antenne selon l'une des revendications 8 et 9 caractérisée en ce que les éléments ou cylindres (6) font un angle d'environ 15° avec la deuxième plaque ou plaque supérieure (2). 25 11 û Antenne selon l'une des revendications 8 à 10 caractérisée en ce que les dimensions des éléments ou cylindres sont choisis en fonction des dimensions de la plaque inférieure (1) et supérieure (2) vis-à-vis de la bande fréquentielle à couvrir. 3o 12 - Antenne selon l'une des revendications 1 à 11 caractérisée en ce que l'écartement entre la première plaque ou plaque inférieure (1) et la deuxième 20plaque ou plaque supérieure (2) varie en fonction des dimensions desdites plaques et de la bande de fréquence à couvrir. 13 ù Utilisation d'une antenne selon l'une des revendications 1 à 12 pour des 5 structures antennaires d'émission ou de réception dans les bandes HF, VHF ou UHF.