Brevet FR2943183A1 — publié le 20100917

Antenne bi-voie large bande VHF-UHF L'objet de l'invention concerne les antennes bi-voie, large bande, pour des applications où le paramètre d'encombrement est prédominant. Elle vise en particulier, les antennes dont les fréquences de travail se situent dans la bande des ondes métriques et décimétriques couramment appelées VHF et UHF abréviation anglo-saxonne de � Very High Frequency � et � Ultra High Frequency �. Les valeurs pour ces bandes de fréquence sont, par exemple, pour la bande VHF désignée bande basse: 30-88 MHz, et pour la bande UHF désignée bande haute: 225-520 MHz,. Par antenne bi-voie, il faut entendre une antenne faite d'au moins deux éléments rayonnants qui sont alimentés séparément au moyen de deux voies. Ces éléments rayonnants peuvent être activés simultanément dans certains cas dans les deux bandes de fréquence ou bien en alternance. Il est connu de réaliser une antenne double avec un élément rayonnant de type unipolaire adapté pour les basses fréquences, surmonté d'un élément rayonnant de type dipôle adapté pour les hautes fréquences et alimenté à travers l'élément rayonnant de type unipolaire. La plupart des antennes de ce type, fonctionnent dans une bande de fréquences qui est insuffisante pour certaines applications. Le brevet EP 0851 532 (figure 1) décrit une antenne double selon l'art antérieur, en particulier, pour véhicule, caractérisée en ce qu'elle comporte un plan de masse percé d'un orifice, avec d'un côté du plan de masse l'espace extérieur au véhicule et de l'autre côté un espace protégé ; un câble coaxial 2 traverse l'orifice, avec une première extrémité dans l'espace extérieur au véhicule et une seconde extrémité dans l'espace protégé, le câble formant des spires 22 entre l'orifice et sa seconde extrémité ; une liaison entre le conducteur externe du câble et le plan de 3o masse au niveau de la seconde extrémité ; un élément rayonnant de type dipôle 1 connecté pour être alimenté, à la première extrémité du câble ; un transformateur composé d'un noyau magnétique 5, et les spires 22 dont le secondaire comporte le conducteur externe des spires, une impédance 6 de valeur égale à l'impédance caractéristique du câble, deux câbles d'alimentation 8a, 8b. L'âme du câble 8a est connecté au point P se situant sur la tresse externe de la portion de câble coaxial formant les spires 22 et destiné à véhiculer les signaux RF de la bande VHF ou bande basse pour l'application et le coaxial 8b a par contre son âme relié à celui du câble coaxial 2 à travers le duplexeur 9 et véhicule les signaux RF de la bande UHF désignée comme bande haute. L'un des inconvénients d'une telle antenne est qu'elle n'est pas adaptée de par sa taille à des applications de type portatif, pour lesquelles le 10 couple encombrement rendement est un facteur primordial. Le brevet US 5 311 201 décrit une antenne capable de fonctionner dans les bandes de radio diffusion AM/FM et aussi dans la bande de fréquence plus élevée réservée à la radio mobile. Cette antenne à deux accès pour véhicule destinée à la réception seule de la radio diffusion 15 AM/FM et l'émission-réception de la bande de radio téléphone UHF (GSM) présente comme inconvénient de n'assurer que la réception sur une des voies. L'un des objectifs de l'invention est de fournir une antenne 20 adaptée à être utilisée pour des applications de radiocommunication portatif bi-voies et de disposer d'une structure antennaire compacte, tout en présentant un rendement élevé et une isolation entre voie suffisante pour un fonctionnement simultané invariablement en émission et/ou en réception. 25 L'objet de l'invention concerne une antenne bi-voie compacte fonctionnant au moins dans deux bandes de fréquence une bande haute [FSä p1, Fs,p2] et une bande basse [Finf1, Finf2] caractérisé en ce qu'elle comporte au moins les éléments suivants : • un câble coaxial mis à une masse (M) de référence comportant une 30 âme et une tresse, • Un élément antennaire adapté à fonctionner dans la bande haute de fréquence [Fsup1, Fsup2], ayant une longueur Linf, • Une contre-jupe de longueur correspondant sensiblement à Lin, et disposée autour dudit élément antennaire, ledit élément antennaire ainsi entourée étant placé entre le plan de masse de référence (M) et un élément antennaire adapté à fonctionner dans la bande basse fréquence [F;nfi, • l'ensemble composé de l'élément antennaire et de la contre-jupe, ayant une longueur Le, est alimenté via l'âme dudit coaxial entourant un élément magnétique, ledit ensemble étant adapté à fonctionner dans la bande basse fréquence [Fie, Finf2], ^ Ledit élément antennaire étant alimenté via l'extérieur ou tresse de la gaine dudit coaxial, au niveau d'un point de piquage, P. La bande de fréquence dite haute fréquence est, par exemple, la bande UHF [225-520 MHz] et la bande dite basse fréquence est la bande VHF [30-88MHz]. La longueur Lanf peut être sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de la fréquence moyenne géométrique FMOY de la bande haute. L'élément antennaire adapté à fonctionner dans la bande basse est constitué d'un élément monofilaire disposé dans le prolongement de 20 l'âme du coaxial et de la contre-jupe. Le câble coaxial traverse le plan de masse de référence M et est prolongé au-dessus du plan de masse de référence M d'une hauteur LUHF égale au quart de la longueur d'onde de la fréquence moyenne géométrique FMOY de la bande haute [Fsupi, Fsup2]• 25 Les éléments rayonnants constituant l'antenne sont, par exemple, des éléments de type monopôle. Le câble coaxial étant enroulé autour d'un élément magnétique pour constituer un bobinage, elle comporte en plus un élément passe-bas (38) adapté à connecter le point de la tresse du câble coaxial constituant la 30 fin dudit bobinage à la masse M. L'âme du câble coaxial est, par exemple, reliée au brin monofilaire à travers une cellule d'adaptation large bande. La structure antennaire selon l'invention est une structure compacte destinée notamment à des applications de type portatif. La taille hors tout de la structure antennaire est réduite au maximum tout en conservant un rendement élevé et une isolation entre voies suffisante. Afin de réduire au maximum la taille de l'antenne, l'invention permet notamment de ne mettre en oeuvre que des éléments rayonnants de type monopôle, pour la bande haute et la bande basse, contrairement aux brevets EP 0 851 532 ou US 5 311 201 qui font appel pour la bande haute à une structure de type dipôle. Un autre avantage de l'invention est d'éviter l'effet de balourd engendré par la position au sommet de l'antenne de l'élément dipôle destiné à la bande haute décrit dans les brevets précités. 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 : • La figure 1, le schéma d'une antenne bi-voie selon l'art antérieur, • La figure 2A, un exemple de structure pour l'antenne selon l'invention et la figure 2B, un synoptique simplifié de l'antenne avec sa liaison avec un connecteur, et • La figure 3 une variante de l'invention. L'idée de la présente invention pour former une antenne compacte en taille repose notamment sur la mise en oeuvre d'un élément rayonnant de type monopôle et sur le fait de l'exciter, sur la totalité de sa longueur pour la bande basse (VHF) correspondant à l'intervalle de fréquence [Finfi, Finf2] et uniquement sur une partie de sa longueur pour la bande haute (UHF) correspondant à l'intervalle de fréquence [FSUp1, Fs,p2], bandes de fréquences dans lesquelles l'antenne compacte est destinée à fonctionner. La description concerne aussi bien des antennes pouvant fonctionner en émission simultanément sur les deux voies UHF, VHF, ou encore en émission sur la voie UHF et en réception sur la voie VHF, et réciproquement, ou encore sur les deux voies en réception simultanément ou encore en émission simultanément. Les figures 2A et 2B représentent une antenne destinée à fonctionner dans la bande de fréquence VHF : 30-88 MHZ et la bande de 5 fréquence UHF : 225-520 MHz. La figure 2A est une description simplifiée d'un exemple de structure antennaire selon l'invention comportant un élément rayonnant VHF 20, ayant une longueur LvHF, ou LSUp du fait de sa position, sensiblement égale à la longueur totale de l'antenne, un élément rayonnant UHF 21, 10 disposé dans la partie inférieure de l'antenne, ayant sa propre longueur Linf du fait de sa position dans la partie inférieure de l'antenne ou LUHF, un système d'alimentation 23 relié à un connecteur 24 adapté à alimenter les deux voies UHF et VHF indépendamment. La figure 2B représente de manière détaillée, un exemple 15 d'antenne ayant une structure antennaire semblable à la structure de la figure 2A. Un radôme 25, de préférence constitué en matériau souple, est disposé autour des éléments antennaires 20 et 21 afin de les protéger. Un câble coaxial 26 constitué d'une âme 28 entouré d'une tresse 26a ou gaine est enroulé autour d'un noyau magnétique 27a pour constituer le bobinage 20 27b d'un transformateur. Le câble coaxial 26 traverse un plan de masse de référence M et est prolongé au-dessus du plan de masse de référence M sur une hauteur LUHF égale environ au quart de la longueur d'onde de la fréquence moyenne géométrique FMOY de la bande haute, c'est-à-dire, FMOY=340 MHz et LUHF= 220 mm dans la gamme de fréquences donnée pour 25 cet exemple. L'âme 28 du câble coaxial 26 est prolongée au-dessus de la hauteur LUHF par un élément monofilaire 29 de longueur Lfii. Le choix du matériau et la longueur Lfii sont déterminés par exemple par les exigences opérationnelles. Il' est ainsi possible d'utiliser pour l'exemple donné une longueur variant de 280mm à 750mm pour Lfii. Une prise P est réalisée sur le 30 bobinage 27b pour constituer l'entrée de la bande haute et la deuxième sortie S de l'âme du coaxial celle de la bande basse. Le câble coaxial est mis à la masse au niveau du point S. Afin d'isoler les courants rayonnants des 2 voies, une contre jupe 30 est ajoutée au câble coaxial 26 et forme l'élément rayonnant 21 dans la bande haute. La partie alimentée en VHF correspond sensiblement à la totalité de la hauteur de l'antenne, c'est-à-dire l'élément 29 plus la partie du coaxial correspondant à la hauteur LUHF de l'élément antennaire 21 plus la contre-jupe 30. Une telle structure rayonnante avec le point d'alimentation déporté par rapport au plan de masse de référence est appelée communément par l'Homme du métier � monopôle à manche �. Pour la bande basse, cette contre jupe 30 se comporte comme une inductance de charge mise en série avec le brin monofilaire 29 pour constituer un monopôle à manche chargé selfiquement, l'ensemble 29 et 30 formant l'élément rayonnant dans la bande basse. Cette contre jupe 30 peut être complétée par d'autres dispositifs connus de l'Homme du métier et non représentés pour faciliter la compréhension de l'antenne selon l'invention, afin d'augmenter l'isolation. Afin d'assurer l'adaptation d'impédance pour les 2 voies, des cellules d'adaptation 31, 32 large bande et connues de l'Homme du métier sont intercalées entre les points d'accès et les connecteurs de l'antenne. La longueur Lsup ou LVHF est par exemple comprise dans l'intervalle [500, 1000] mm. La longueur LUHF correspondant au câble coaxial dépassant au-dessus de l'élément de masse de référence M est par exemple égale à 220 mm. Le choix des longueurs LVHF, LUHF est défini par rapport à la compacité recherchée de l'antenne. De préférence, le choix des longueurs s'effectue en déterminant en premier la longueur LUHF en fonction des fréquences souhaitées pour le fonctionnement de l'antenne et de l'encombrement visé, c'est-à-dire par rapport à une longueur totale d'antenne à respecter Ltotaie. La longueur LVHF pour l'élément antennaire pour les fréquences basses sera déterminée par le reste de place disponible considérant les deux longueurs LuHF et Ltota,e. L'alimentation en puissance des éléments antennaires s'effectue de la manière suivante : • Pour alimenter en puissance RF l'antenne pour la voie UHF, les signaux de la bande haute sont transmis via la tresse de la gaine du câble coaxial 26 formant le bobinage 27b à travers la cellule d'adaptation 31 et la prise P. • L'alimentation de la voie VHF se fait via l'intérieur du bobinage 27b, par l'intermédiaire de l'âme 28 du câble coaxial 26 à travers la cellule d'adaptation 32. Le bobinage 27b et le circuit d'alimentation sont mis à la masse aux points 35 et 36. io Le radôme 25 est, par exemple, réalisé en matériau diélectrique transparent aux ondes électromagnétiques. II maintient les éléments rayonnants en position verticale et les rend solidaires du circuit d'alimentation. II présente également une certaine flexibilité pour ne pas blesser l'utilisateur en configuration opérationnelle. 15 Le circuit d'alimentation 23 est disposé dans un boîtier miniaturisé rendant l'ensemble antennaire suffisamment compact pour être associé à un équipement radio portatif de type talkie-walkie. Différentes façons d'utilisation de l'antenne sont possibles. Ainsi les deux éléments antennaires peuvent fonctionner tous les deux en 20 émission, simultanément. Il est aussi possible qu'un des deux éléments fonctionnent en émission, alors que l'autre fonctionne en réception. Les deux peuvent aussi fonctionner en réception. La figure 3 représente une variante de réalisation de l'invention. Elle consiste à relier l'âme 28 au brin monofilaire 29 à travers une cellule 25 d'adaptation large bande 37 dont les différentes structures possibles sont connues de l'homme de l'art et qui n'est pas détaillée ici. Cette cellule d'adaptation a notamment pour fonction d'améliorer le rendement de l'antenne. Une autre variante est de mettre à la masse le pied de l'antenne pour les signaux de la bande basse. Elle consiste à connecter au niveau de 30 la fin du bobinage 27b, le point 39 de la tresse du câble coaxial 26 à la masse par l'intermédiaire d'un élément passe bas 38 non détaillé ici. Cette variante permet d'améliorer l'isolation entre les deux voies. REVENDICATIONS1 ù Antenne bi-voie compacte fonctionnant au moins dans deux bandes de fréquence une bande haute [Fsup1, Fsup2] et une bande basse [Finf1, Finf2] 5 caractérisé en ce qu'elle comporte au moins les éléments suivants : • un câble coaxial (26) mis à une masse (M) de référence comportant une âme (28) et une tresse (26a), • Un élément antennaire (21) adapté à fonctionner dans la bande haute de fréquence [Fsup1, Fsup2], ayant une longueur Linf, 10 • Une contre-jupe (30) de longueur correspondant sensiblement à Lanf et disposée autour dudit élément antennaire (21), ledit élément antennaire (21) ainsi entourée étant placé entre le plan de masse de référence (M) et un élément antennaire (29) adapté à fonctionner dans la bande basse fréquence [Finf1, Finf2], 15 • L'ensemble (20) composé de l'élément antennaire (29) et de la contre-jupe (30), ayant une longueur Lsup, est alimenté via l'âme (28) dudit coaxial (26) entourant un élément magnétique (27a), ledit ensemble (20) étant adapté à fonctionner dans la bande basse fréquence [Finf1, Finf2], 20 • Ledit élément antennaire (21) étant alimenté via l'extérieur ou tresse (26a) de la gaine dudit coaxial (26), au niveau d'un point de piquage, P. 2 ù Antenne selon la revendication 1 caractérisé en ce que la bande de 25 fréquence dite haute fréquence est la bande UHF [225-520 MHz] et la bande dite basse fréquence est la bande VHF [30-88MHz]. 3 ù Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la longueur Linf est sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de la 30 fréquence moyenne géométrique FMOY de la bande haute.4 û Antenne selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'élément antennaire (20) adapté à fonctionner dans la bande basse est constitué d'un élément monofilaire (29) disposé dans le prolongement de l'âme (28) du coaxial (26) et de la contre-jupe (30). 5 û Antenne selon la revendication 1 ou 4 caractérisé en ce que le câble coaxial (26) traverse le plan de masse de référence M et est prolongé au-dessus du plan de masse de référence M d'une hauteur LUHF égale au quart de la longueur d'onde de la fréquence moyenne géométrique FMOY de la bande haute [Fsupi, Fsup2]. 6 û Antenne selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en que les éléments rayonnants constituant l'antenne sont des éléments de type monopôle. 7 û Antenne selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le câble coaxial (26) étant enroulé autour d'un élément magnétique (27a) pour constituer un bobinage (27b), elle comporte en plus un élément passe-bas (38) adapté à connecter le point (39) de la tresse du câble coaxial constituant la fin dudit bobinage (27b) à la masse M. 8 û Antenne selon l'une des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que l'âme (28) du câble coaxial (26) est reliée au brin monofilaire (29) à travers une cellule d'adaptation large bande (37).25