Brevet FR2944917A1 — publié le 20101029

ANTENNE MULTIPLE LARGE BANDE A FAIBLE PROFIL L'objet de l'invention concerne les antennes multiples, utilisées notamment, pour des équipements de radiocommunication. Les antennes selon l'invention s'appliquent, par exemple, pour équiper des véhicules et pour une bande de fréquence variant de 225 à 400 MHz. Elles peuvent être à diversité spatiale, tous les éléments antennaires constituant l'antenne fonctionnant alors dans une même gamme de fréquence. Les antennes peuvent aussi être constituées de plusieurs éléments antennaires fonctionnant dans des bandes de fréquence différentes les unes des autres. La position des différents éléments antennaires formant l'antenne, les uns par rapport aux autres, est fonction de l'application. Une antenne selon l'invention peut se présenter sous la forme de fouet, plus connue sous l'acronyme anglo-saxon � low profile �, proposer au moins deux entrées ou alimentation indépendantes, conserver une couverture omnidirectionnelle et être prédisposée à un traitement de signal de type diversité d'espace. II est connu de réaliser une antenne double comprenant un moyen d'alimentation. Par exemple les figures 1A et 1B (respectivement vue en perspective et vue en coupe) représentent un système antennaire constitué d'un premier dipôle 1 composé d'un élément rayonnant supérieur l s et d'un élément rayonnant inférieur 1 b ayant la forme d'une jupe, d'un deuxième dipôle 2, placé colinéairement au dipôle 1 et composé d'un élément rayonnant supérieur 2s ayant la forme d'une contre jupe (jupe retournée) et d'un élément inférieur 2b ayant également la forme de jupe, d'un premier câble coaxial 3 traversant l'ensemble 2b, 2s, lb et alimentant le dipôle 1 par les connexions électriques de son âme 5 avec l'élément l s et de sa gaine 6 avec l'élément 1 b, d'un deuxième câble coaxial 4 alimentant le dipôle 2 par les connexions électriques de son âme 7 à un piège quart d'onde 9, usuellement désigné par sa terminologie anglo-saxonne � stub � au niveau du point A et de sa gaine 8 avec l'élément 2b. Les inconvénients de ce type de structure proviennent notamment de l'utilisation du stub. En effet, il est connu que l'efficacité du � stub � est régie par la relation donnant son impédance apparente Z stub = Zc tg (2icL IX) avec Zc = 60 In (D / d), D étant le diamètre du stub, d le diamètre apparent des câbles qui le traversent, L la longueur du stub et a, la longueur d'onde Comme l'efficacité du stub est d'autant plus élevée que l'impédance apparente Zstub est grande, il en résulte que plus la bande passante à couvrir est large, plus la valeur de D doit être grande, ce qui va à l'encontre de la recherche d'un profil faible pour une antenne tout en conservant une large bande passante à l'antenne. Une autre structure antennaire double est décrite dans le brevet FR 2 300 429 et représentée à la figure 2. Ce système antennaire est constitué d'un premier dipôle 1 composé d'un élément rayonnant supérieur 1 s relié à l'âme 11 d'une ligne multiaxiale 12 et d'un élément rayonnant inférieur 1 b relié à la gaine 121 de la ligne multiaxiale, d'un deuxième dipôle 2 composé d'un élément rayonnant supérieur 2s relié à la gaine 121 au point 10 et d'un élément rayonnant inférieur 2b relié à la gaine 122 de la ligne multiaxiale 12. Un tel système, s'il est efficace, présente toutefois l'inconvénient de devoir mettre en oeuvre, pour couvrir une large bande de fréquences, des éléments rayonnants épais, par exemple, des tronçons de cône, des disques, etc. qui conduisent à une augmentation en taille de l'antenne, ce qui va à l'encontre de l'un des objectifs recherchés, à savoir, minimiser la taille de l'antenne tout en conservant une largeur de bande souhaitée. L'un des objectifs de l'invention est de fournir un système antennaire susceptible de couvrir une large bande de fréquence à partir d'éléments rayonnants fins donc de faible profil. Une antenne double, réalisée suivant l'invention et fonctionnant dans la bande UHF de 225 à 400MHz, se présente, par exemple, sous la forme d'un fouet de 2.5m de haut et d'environ 25mm de diamètre, alors que les équipements similaires du marché conçus suivant l'art connu, présenteraient un diamètre supérieur à 100mm. L'objet de l'invention concerne une antenne multiple large bande à faible profil comportant au moins deux dipôles, un dipôle k désigné Dk étant constitué d'un élément antennaire haut Dks et d'un élément antennaire bas Dkb, ladite antenne étant alimenté par un câble coaxial comprenant une âme et n gaines disposées de manière concentrique autour de l'âme, avec k variant de 1 à n, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins les éléments suivants disposés comme indiqué ci-après : • un dipôle disposé dans la partie supérieure de ladite antenne, ledit dipôle comportant au moins un premier élément antennaire haut ~o connecté à l'âme dudit câble multiaxial comprenant n gaines et dont l'élément élémentaire bas est connecté à la première gaine adjacente à l'âme, • un dispositif de connexion positionné entre un élément haut Dks d'un dipôle Dk et l'élément bas Dkb dudit dipôle Dk, l'élément haut Dks est 15 connecté à la gaine d'indice (k-1) du câble multiaxial après que l'ensemble de l'âme et des gaines d'indice (1 à k-1) s'enroulent en Q spires autour d'un noyau magnétique et l'élément bas Dkb du dipôle Dk est connecté à la gaine d'indice k, et en ce que ledit dispositif de connexion comprend au moins un enroulement monofilaire de P 20 spires sur le même noyau magnétique reliant ledit élément bas Dkb dudit dipôle Dk à la gaine d'indice (k-1) en un point afin de réaliser l'adaptation d'impédance large bande et l'alimentation du dipôle Dk. L'élément magnétique est, par exemple, un tore ou un tube. Tous les dipôles Dk constituant ladite antenne peuvent fonctionner 25 dans la même gamme de fréquence. Les dipôles Dk constituant l'antenne peuvent aussi être alimentés avec des puissances différentes. L'invention concerne aussi un système antennaire comprenant au moins une antenne comprenant deux dipôles, un dipôle k désigné Dk étant 30 constitué d'un élément antennaire haut Dks et d'un élément antennaire bas Dkb, ladite antenne étant alimenté par un câble coaxial comprenant une âme et deux gaines disposées de manière concentrique autour de l'âme, avec k égal à 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte deux câbles coaxiaux séparés et permettant le raccordement de ladite antenne à deux voies radio disjointes, et en ce que l'âme du premier câble correspond au prolongement dans le véhicule de l'âme de l'invention et en ce que la gaine de ce câble correspond au prolongement d'une première gaine, une deuxième gaine quand à elle ne se prolonge dans l'espace Int que d'une longueur suffisante pour être connectée à l'âme du deuxième câble en un point F, lesdites gaines des premier et deuxième câbles sont en contact entre elles et sont reliées à une contre jupe en un point M pour constituer un système symétriseur quart d'onde. Les dipôles sont, par exemple, adaptés à fonctionner dans la gamme de fréquence [225-400 MHz]. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention 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 : • Les figures 1A et 1B, un premier exemple d'antenne utilisant un � stub � selon l'art antérieur, • La figure 2, un deuxième exemple de structure antennaire selon l'art antérieur, • Les figures 3A, 3B, un exemple de structure antennaire selon l'invention, • La figure 4, le détail d'un exemple de réalisation pour le système d'alimentation, • Les figures 5A et 5B, d'autres exemples de réalisation pour le système 25 d'alimentation, • La figure 6, une antenne incorporant un moyen permettant de limiter, voir annuler les courants de fuite, • Les figures 7A et 7B, un exemple de réalisation du dispositif de raccordement de la structure antennaire aux postes radio, et 30 • La figure 8, une représentation schématique de l'application de l'invention à une structure antennaire comprenant n dipôles, et • La figure 9, le détail du système d'alimentation pour l'exemple d'antenne de la figure 8. Afin de mieux faire comprendre l'objet de la présente invention, la description va être donnée à titre d'exemple non limitatif dans le cadre d'une antenne double à faible profil utilisée pour des équipements de radiocommunication, en particulier dans la bande UHF (Ultra High Frequency) 225-400MHz destinée à être installée et utilisée sur des véhicules à l'arrêt ou en mouvement. L'antenne peut être ainsi utilisée dans un contexte de diversité spatiale, c'est-à-dire que chaque élément antennaire fonctionne dans la même gamme de fréquences. L'antenne peut fonctionner en émission, en réception ou encore en émission/réception. De manière plus générale, la structure antennaire peut aussi être composée d'un nombre de dipôles n avec n supérieur ou égal à 2. Chaque dipôle peut être adapté à fonctionner dans une même gamme de fréquences, ou encore dans des gammes de fréquence différentes. Les figures 3A et 3B (respectivement vue en perspective et vue en coupe) représentent un exemple de réalisation d'une antenne double selon l'invention. L'antenne est constituée d'un premier dipôle 1 composé d'un élément rayonnant supérieur 1 s et d'un élément rayonnant inférieur lb formant une jupe (figure 3B), la forme cylindrique pour les éléments rayonnants est prise dans l'exemple pour facilité la compréhension du texte, d'un deuxième dipôle 2, placé colinéairement au dipôle 1 et composé d'un élément rayonnant supérieur 2s formant une contre jupe (jupe retournée) et d'un élément inférieur 2b formant également une jupe, d'un câble triaxial 14 constitué d'une âme 140, d'une première gaine concentrique 141 et d'une deuxième gaine concentrique 142. Pour la tenue mécanique de l'âme et des gaines, l'espace entre ceux-ci peut en pratique être remplie par un matériau diélectrique comme du polyéthylène ou du Téflon, non représenté ici pour des raisons de clarté. L'alimentation du dipôle 1 est réalisée par la connexion de l'âme 14o à l'élément supérieur l s et par la connexion de la première gaine 141 à l'élément inférieur 1 b. , le système peut comporter un circuit d'adaptation d'impédance large bande connu de l'homme du métier et intercalé entre l'âme 140 et l'élément 1 s qui, par souci de faciliter la compréhension de l'invention, n'est pas représenté. L'alimentation du dipôle 2 est réalisée par la connexion de la deuxième gaine 142 à l'élément inférieur 2b au point 27 et par le dispositif 20 détaillé à la figure 4, qui est placé entre les deux éléments 2s et 2b. Le dispositif 20 est , par exemple, composé d'un enroulement 21 du tronçon de câble sous la forme de Q spires, constitué de la portion de l'âme 140 et de la portion de gaine 141 situées entre ces deux éléments 2s et 2b, autour d'un élément ou noyau magnétique 22, d'un enroulement secondaire (P spires) réalisé par un câble monofilaire 23 dont l'une des extrémités est connectée électriquement à l'élément 2b au point 24 et l'autre extrémité est connectée à la gaine 141 au niveau du début de l'enroulement 21 (considéré en partant de l'élément antennaire 2b inférieur du dipôle) au point 25, et d'une liaison 26 entre la gaine 141 et l'élément rayonnant supérieur 2s au niveau de la fin de l'enroulement 21. Le câble monofilaire 23 est lui-même enroulé autour du noyau magnétique. De même, pour faciliter la compréhension de l'invention, les éventuels circuits supplémentaires connus de l'homme du métier pour améliorer l'adaptation large bande de l'impédance ne sont pas représentés; par exemple, on peut mentionner l'utilisation d'un circuit bouchon LC reliant les éléments 2s et 2b, et/ou un circuit résonant LC placé en série avec l'enroulement secondaire 23. L'élément 20 a notamment pour fonction de réaliser une excitation par couplage magnétique et permettre ainsi d'élargir la bande de fréquences dans laquelle l'antenne peut fonctionner, ceci sans avoir à utiliser des éléments antennaires dits � épais � et de fait, sans augmenter la taille de l'antenne. La figure 5A représente une première variante de réalisation pour laquelle l'élément magnétique ou noyau magnétique 22 est un tore 28. Cette forme permet avantageusement d'obtenir un couplage magnétique plus � serré � et de fait de faciliter le transfert de la puissance RF (radio-fréquence) aux éléments rayonnants du dipôle. La figure 5B représente une autre variante de réalisation pour laquelle l'élément magnétique ou noyau magnétique 22 est un tube 29. Cette forme permet l'utilisation d'un câble 14 de type rigide qui n'est pas disposé à être bobiné. La figure 6 représente une variante de réalisation qui permet, notamment, d'améliorer le découplage entre les deux antennes élémentaires 1 et 2. Par exemple, ce type d'agencement est plus particulièrement adapté dans le cas d'une utilisation dans un système multivoie. Pour obtenir cette amélioration, l'idée consiste à ajouter des manchons de ferrite 13 en les disposant autour de la gaine 141 située entre les antennes 1 et 2. L'effet de self ainsi produit limite ou annule les courants de fuite ou de retour en surface de la gaine, et augmente ainsi le découplage entre les deux antennes élémentaires. L'exemple de réalisation de l'antenne double donnée pour mieux comprendre l'invention met en oeuvre deux dipôles. Les figures 7A et 7B (respectivement vue en perspective et vue en coupe) représentent un exemple de dispositif de raccordement permettant de brancher l'antenne à deux postes émetteur-récepteur avec 2 câbles coaxiaux séparés. On désigne par Ext l'espace correspondant à l'extérieur du véhicule porteur où un faible profil est demandé et Int l'intérieur du véhicule. Un exemple de réalisation préférentiel est de positionner uniquement la partie antennaire suivant l'invention dans l'espace Ext et d'installer le dispositif d'alimentation 30 permettant le raccordement de deux postes radio dans l'espace Int où aucune contrainte drastique de dimension n'est imposée. Le dispositif 30 comporte deux câbles coaxiaux séparés 15 et 16 qui permettent le raccordement de l'antenne suivant l'invention à deux voies radio disjointes. Une réalisation préférentielle est que l'âme 150 du câble 15 correspond au prolongement dans le véhicule de l'âme 140 de l'invention et que la gaine 151 du câble 15 correspond au prolongement de la gaine 141. La gaine 142 quand à elle ne se prolonge dans l'espace Int que d'une longueur suffisante pour être connectée à l'âme 160 du câble 16 au point F. Les gaines 151 et 161 des câbles 15 et 16 sont en contact entre elles et sont reliées à une contre-jupe 31 au point M pour constituer un système usuellement désigné par l'homme du métier symétriseur quart d'onde. L'efficacité de ce type de symétriseur est d'autant plus élevée que le diamètre relatif de la contre-jupe par rapport au diamètre des gaines est grand. Compte tenu de la position de cet équipement à l'intérieur du véhicule, il n'y a pas de contrainte dimensionnelle drastique dans la conception de l'antenne. La figure 8 représente schématiquement le cas où l'antenne comporte n dipôles alimentés par un câble multiaxial composé d'une âme et de n gaines concentriques dans cet exemple, l'antenne est à n accès large bande. L'antenne à n accès, large bande, à faible profil, est composée d'un empilement colinéaire de n dipôles alimentés par un câble multiaxial constitué d'une âme 14o et de n gaines concentriques 14k avec k = 1 à n. Les connexions entre les éléments antennaires et la gaine ou l'âme se font de la manière décrite ci-après. Un dipôle k désigné Dk sur la figure 8 est constitué d'un élément bas Dkb et d'un élément haut Dks, comme indiqué par exemple par les éléments 2b et 2s des figures précédentes. L'antenne comprend un dipôle Di situé en haut de l'antenne, dont l'élément antennaire haut Dis est connecté à l'âme 140 d'un câble multiaxial comprenant n gaines concentriques les unes aux autres et donc alimenté pas cette dernière, et dont l'élément élémentaire bas Dib est connecté à la première gaine 141 adjacente à l'âme 140. La première gaine est la gaine qui est disposée le plus proche de l'âme, la deuxième gaine 142 du câble multiaxial est la gaine disposée entre la première et la troisième gaine 143 et ainsi de suite. Cette disposition n'est qu'une convention utilisée pour l'exemple de la description. Le dispositif 40 (figure 9) correspondant au dispositif 20 décrit précédemment est utilisé pour connecter les autres dipôles. Ce dispositif 40 est positionné entre l'élément haut Dks du dipôle k ou Dk et l'élément bas Dkb du dipôle Dk. L'élément haut Dks est connecté au point 46 à la gaine d'indice (k-1) du câble multiaxial après que l'ensemble des gaines d'indice (1 à k-1) et de l'âme s'enroulent en Q spires 41 autour d'un noyau magnétique 42 et que l'élément bas Dkb du dipôle Dk est connecté à la gaine d'indice k au point 47 et qu'un enroulement monofilaire de P spires, 43, sur le même noyau magnétique 42 relie au point 44 cet élément bas Dkb à la gaine d'indice (k-1) au point 45 début de l'enroulement 41 pour réaliser l'adaptation d'impédance large bande et l'alimentation du dipôle k ou Dk. Une antenne double est constituée de 2 antennes élémentaires de type dipôle colinéaire à jupe, placées l'une au-dessus de l'autre; chaque antenne élémentaire disposant de sa propre entrée. Lorsque l'antenne large bande est une antenne à deux entrées, cela permettra, par exemple : • soit le branchement de 2 postes radio pouvant fonctionner en Evasion de Fréquence ou EVF sans faire appel à un coupleur large bande donc à pertes, • soit l'association des deux entrées pour constituer un ensemble rayonnant unique avec un gain de directivité, soit la connexion à 2 voies de réception pour réaliser la fonction de diversité dans l'espace, • soit la connexion d'un récepteur et d'un émetteur dans le cadre d'un système full duplex, c'est-à-dire, en émission réception simultanées. L'antenne peut être mise en oeuvre en utilisant les techniques de 20 réalisation usuelles des antennes large bande pour mobiles, en particulier les antennes de la bande VHF-FM, abrégé anglo-saxon de (Very High Frequency -Frequency modulation), à savoir : • la réalisation des éléments rayonnants à partir de tubes (plein ou tressé), 25 • la protection des éléments rayonnants sous un radôme, par exemple, en plastique renforcé de fibres de verre (robustesse, souplesse bien adaptée aux chocs répétés sur des obstacles), • la réalisation du système de raccordement qui sera placé à la base de l'antenne et n'aura pas d'influence notoire sur le profil et la taille de 30 l'antenne. L'antenne ou structure rayonnante selon l'invention est une structure multiple de type dipôle colinéaire fin. Elle met en oeuvre des éléments de faibles dimensions transversales, donc à faible profil, pouvant fonctionner dans une large bande de fréquences. Elle présente un profil plus faible que les antennes large bande connues par mise en oeuvre de structure dipolaire fin et d'un circuit d'adaptation au lieu de structure dite � épaisse �. Elle offre une optimisation des dimensions physiques du système d'alimentation par câble multiaxial et couplage magnétique au lieu d'une alimentation par � stub �. Elle offre aussi la possibilité d'ajouter des circuits complémentaires pour améliorer l'adaptation d'impédance. Sa structure est adaptée pour une utilisation sur véhicule en mouvement, pour une utilisation multiposte tactique. Elle offre aussi la possibilité de couplage à l'émission : + 3dB de directivité, une possibilité de diversité spatiale à la réception : lutte contre l'évanouissement, phénomène plus connu sous l'abréviation anglo- saxonne � fading �. REVENDICATIONS1 û Antenne multiple large bande à faible profil comportant au moins deux dipôles (1, 2, Dk), chaque dipôle k désigné Dk étant constitué d'un élément antennaire haut Dks et d'un élément antennaire bas Dkb, ladite antenne étant alimenté par un câble coaxial comprenant une âme (140) et n gaines disposées de manière concentrique autour de l'âme (140), avec k variant de 1 à n, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins les éléments suivants disposés comme indiqué ci-après : • un dipôle Di (k=1) disposé dans la partie supérieure de ladite antenne, ledit dipôle Di comportant au moins un premier élément antennaire haut (Dis) connecté à l'âme (140) dudit câble multiaxial comprenant n gaines et dont l'élément élémentaire bas (Dib) est connecté à la première gaine (141) adjacente à l'âme (140), • un dispositif de connexion (20, 40) positionné entre un élément haut Dks d'un dipôle Dk (k>1) et l'élément bas Dkb dudit dipôle Dk, l'élément haut Dks est connecté à la gaine d'indice (k-1) du câble multiaxial après que l'ensemble de l'âme (140) et des gaines d'indice (1 à k-1) s'enroulent en Q spires (41) autour d'un noyau magnétique (42) et l'élément bas Dkb du dipôle Dk est connecté à la gaine d'indice k, et en ce que ledit dispositif de connexion (20, 40) comprend au moins un enroulement monofilaire de P spires (43) sur le même noyau magnétique (42) reliant ledit élément bas Dkb dudit dipôle Dk à la gaine d'indice (k-1) au point (45) afin de réaliser l'adaptation d'impédance large bande et l'alimentation du dipôle Dk. 2 û Antenne selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément magnétique (42) est un tore (28) ou un tube (29). 3 û Antenne selon la revendication 1 caractérisé en ce que tous les dipôles Dk constituant ladite antenne fonctionnent dans la même gamme de fréquence.304 û Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que les dipôles Dk constituant l'antenne sont alimentés avec des puissances différentes. û Système antennaire comprenant au moins une antenne selon la 5 revendication 1 comprenant deux dipôles caractérisé en ce qu'il comporte deux câbles coaxiaux séparés (15) et (16) permettant le raccordement de ladite antenne à deux voies radio disjointes, et en ce que l'âme (150) du premier câble (15) correspond au prolongement dans le véhicule de l'âme (140) de l'invention et que la gaine (151) dudit premier câble (15) correspond au prolongement d'une première gaine (141), une deuxième gaine (142) quand à elle ne se prolonge dans l'espace Int que d'une longueur suffisante pour être connectée à l'âme (160) du deuxième câble (16) en un point F, lesdites gaines (151) et (161) des premier câble (15) et deuxième câble (16) sont en contact entre elles et sont reliées à une contre-jupe (31) en un point M pour constituer un système symétriseur quart d'onde. 6 û Antenne et système antennaire selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisés en ce que les dipôles sont adaptés à fonctionner dans la gamme de fréquence [225-400 MHz].20