Brevet FR2989844A1 — publié le 20131025

Antenne mobile directive à commutation de polarisation par déplacement de panneaux rayonnants La présente invention concerne une antenne plane directive mobile apte à commuter sa polarisation par déplacement de panneaux rayonnants. Elle s'applique notamment à la commutation d'antennes embarquées sur des mobiles au sol devant opérer des communications haut débit avec un satellite, en particulier un satellite géostationnaire. Afin d'assurer des communications entre un point fixe, par exemple un satellite géostationnaire, et un point mobile, par exemple un véhicule au sol, une antenne permettant de traquer le point fixe est disposée au niveau du mobile. Les contraintes à respecter par cette antenne sont sévères. Notamment, elle doit être configurée pour ne pas émettre dans d'autres directions des signaux avec une densité de puissance supérieure à un niveau réglementé, afin de ne pas perturber le service assuré par des satellites adjacents. Une précision relativement élevée dans le suivi du satellite doit donc être garantie avec ce type d'antenne. A titre d'exemple, pour une couverture du continent européen, le réflecteur d'une antenne au sol (ou sur porteur aérien) doit pouvoir être orientée selon un intervalle d'angles compris entre environ 10° en élévation pour l'Espagne et 60° pour l'Europe du nord, le réflecteur étant orientable à 360° selon l'angle azimut. Le réflecteur, d'un diamètre d'environ 60 à 70 cm doit ainsi bénéficier d'une grande liberté de mouvements et d'un système de commande fiable et précis, ce qui conduit à des antennes volumineuses et coûteuses. De plus, lorsque la polarisation des signaux est linéaire - si par exemple le satellite comprend une antenne à source unique de signaux -, l'antenne au sol doit être constamment alignée sur la direction de polarisation. Afin de diminuer les contraintes à satisfaire par les antennes au sol et ainsi simplifier leur réalisation, une polarisation circulaire peut être employée à la place de la polarisation linéaire précitée, par exemple dans la bande Ka. A titre d'illustration, la bande de fréquence comprise entre 19,7 GHz et 20,2 GHz peut servir en réception au niveau du satellite, tandis que la bande comprise entre 29,5 GHz et 30 GHz peut être utilisée en émission, la couverture étant assurée par un ensemble de spots adjacents en polarisation circulaire droite ou gauche. Les satellites multifaisceaux couvrent un territoire avec une 5 pluralité de spots configurés de telle sorte que les signaux émis sur deux spots voisins ne soient pas interférents. Aussi, la couverture d'un satellite comprend des spots ayant différentes fréquences de transmission et/ou différentes polarisations, deux spots voisins étant configurés de manière à ne pas avoir, à la fois, la même polarisation et la même fréquence de 10 transmission. Les caractéristiques de fréquence et de polarisation des signaux émis sur un spot sont généralement désignées par l'expression « couleur de spot », deux spots voisins ayant donc des couleurs distinctes. A titre illustratif, avec deux polarisations différentes et deux fréquences de transmission différentes, quatre couleurs de spots peuvent être créées. 15 Les antennes embarquées sur des engins mobiles devant assurer une communication avec un satellite franchissent parfois une frontière entre deux spots. C'est le cas, par exemple, des antennes destinées à assurer une connexion internet à partir d'un aéronef ou d'un train. Lorsque l'antenne quitte la zone couverte par un premier spot configuré avec une première 20 polarisation (par exemple circulaire droite) pour entrer dans la zone couverte par un deuxième spot configuré avec une deuxième polarisation (circulaire gauche), l'antenne doit commuter rapidement pour modifier sa polarisation d'émission et/ou de réception. En outre, les éléments rayonnants d'une antenne à formation de faisceaux doivent être suffisamment rapprochés les 25 uns des autres pour éviter la formation de lobes de rayonnement latéraux, susceptibles de parasiter des systèmes de communication adjacents. Une publication de Kwang-Seop Son et al, parue en 2006 dans « Proceedings of Asia-Pacific Microwave conference » sous le titre « Waveguide Slot Array In-Motion Antenna for Receiving both RHCP and 30 LHCP using Single Layer Polarizer », divulgue une structure d'antenne comportant des sources de signaux excitant des polarisateurs alignés sur un film. Les polarisateurs sont agencés en alternance dans des sens opposés et les sources sont séparées du film de polarisateurs par une couche isolante en radiofréquences et pourvue d'une série de cavités placées en regard des 35 polarisateurs de manière à ce qu'à un instant donné, un polarisateur sur deux soit éclairé par une source. Le film peut être actionné en translation de sorte que les cavités soient placées en regard des polarisateurs qui n'étaient pas éclairés précédemment. Ces polarisateurs étant orientés dans un sens différent des premiers polarisateurs, la polarisation des signaux émis par l'antenne est inversée. Cette antenne permet donc de réaliser une commutation entre deux polarisations différentes. Toutefois, elle comporte des inconvénients. En effet, sa structure impose une distance relativement élevée entre les éléments rayonnants, ce qui engendre des lobes latéraux trop importants dans le diagramme de rayonnement. lo Un but de l'invention est de proposer une antenne directive compacte, apte à commuter sa polarisation et dont la complexité de fabrication est modérée. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne à commutation de polarisation comprenant un support comportant au moins deux faces supportant chacune une pluralité de guides d'ondes alimentés 15 par des signaux radiofréquences et ajourés par des ouvertures disposées pour éclairer des éléments rayonnants placés à distance desdites ouvertures, caractérisé en ce que pour au moins un pointage d'antenne donné, ledit support est apte à basculer entre au moins deux configurations différentes, ledit support étant configuré pour placer, dans la deuxième 20 configuration, la deuxième face dans une position identique à celle prise par la première face dans la première configuration, plusieurs éléments rayonnants de la première face étant, dans ladite position, orientés différemment d'éléments rayonnants de la deuxième face. Selon un mode de réalisation de l'antenne selon l'invention, le 25 support est fixé sur un axe tournant adapté à basculer entre les deux configurations par rotation. L'axe tournant peut être configuré pour que les positions respectives de la première et de la deuxième face du support se substituent mutuellement après rotation du support d'un demi-tour autour dudit axe. 30 Avantageusement, l'axe tournant est parallèle à chacune des faces. L'axe tournant, dit premier axe tournant, peut être monté sur un deuxième axe tournant orthogonal audit premier axe tournant. Selon un premier mode de réalisation, le premier axe permet d'orienter l'antenne en 35 élévation, le deuxième axe permettant d'orienter l'antenne en azimut. Selon un autre mode de réalisation, le premier axe permet d'orienter l'antenne en azimut, le deuxième axe permettant d'orienter l'antenne en élévation. Avantageusement, les éléments rayonnants sont des dipôles. De plus, les dipôles d'une même face peuvent être tous orientés dans la même 5 direction. Selon un mode de réalisation de l'antenne selon l'invention, la première face comprend un nombre d'éléments rayonnants égal au nombre d'éléments rayonnants présents sur la deuxième face, les éléments rayonnants étant disposés sur chacune des faces de sorte qu'à chaque 10 élément rayonnant de la première face corresponde un élément rayonnant de la deuxième face dont le barycentre dans la deuxième configuration est identique au barycentre de l'élément rayonnant correspondant de la première face lorsqu'il est dans la première configuration. Selon un mode de réalisation de l'antenne selon l'invention, les 15 guides d'ondes sont des guides à section rectangulaire, les ouvertures étant réparties, pour chacun des guides d'ondes, sur une face dudit guide d'ondes en alternance de part et d'autre de son axe médian longitudinal. Selon un mode de réalisation de l'antenne selon l'invention, pour deux ouvertures adjacentes d'un guide d'onde, un élément rayonnant est 20 placé au-dessus de chacune des ouvertures. D'autres caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description détaillée donnée à titre d'exemple et non limitative qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : 25 les figures I a et 1 b, des schémas de principe illustrant l'antenne selon l'invention dans, respectivement, deux configurations différentes ; la figure 2, une vue d'un mode de réalisation d'une antenne selon l'invention ; la figure 3, une vue agrandie des supports de guides d'ondes utilisés 30 par une antenne selon l'invention ; la figure 4, une illustration des configurations de dipôles comprises par un panneau multi-faces d'une antenne selon l'invention ; la figure 5, une représentation des circuits d'alimentation des guides d'ondes d'une antenne selon l'invention en signaux radiofréquence. 35 Les figures 1 a et 1 b illustrent par des schémas de principe l'antenne selon l'invention. L'antenne 100 est vue de dessus. Chacun des guides d'ondes 101, 102, 103 est alimenté en signaux radiofréquences 101a, 102a 103a et s'étend parallèlement à l'axe Y. Les guides d'ondes peuvent être des guides à section rectangulaire. Chaque guide d'onde 101, 102, 103 est percé régulièrement par des ouvertures 110 en forme de fentes rectangulaires préférablement parallèles au guide d'onde. A titre d'exemple, l'antenne occupe une surface d'environ 6 cm x 6 cm. Un élément rayonnant 120 sous forme de dipôle est placé au- dessus de chaque ouverture 110, dans un plan parallèle au plan dans lequel sont inscrites les ouvertures 110. Le plan dans lequel sont placés les dipôles est avantageusement situé à une distance comprise entre le cinquième et le quart de la longueur d'onde des signaux transmis dans les guides d'ondes de manière à produire un champ issu de l'ouverture tel que deux composantes orthogonales de même amplitude et décalées en phase de 90° - c'est-à-dire un champ polarisé circulairement - soit obtenues. Le choix de la distance entraîne une différence de phase de 90°. Les dipôles 120 forment, en vue de dessus, un angle non nul et non perpendiculaire avec les ouvertures 110 formées dans le guide d'onde 101, 102, 103. L'antenne selon l'invention peut prendre au moins deux configurations. La figure 1 a illustre une première configuration de l'antenne dans laquelle un premier angle est formé entre chacune des ouvertures 110 et les dipôles 120, cet angle étant égal, par exemple à 45°. Ce premier angle peut théoriquement prendre n'importe quelle valeur comprise entre 0° et 90°, les valeurs 0° et 90° étant exclues. L'angle choisi peut résulter d'une analyse faisant intervenir les longueurs et largeurs des fentes et des dipôles, ainsi que la distance entre eux et la permittivité du milieu environnant. La figure lb illustre une deuxième configuration de l'antenne dans laquelle l'angle formé entre les ouvertures 110 et les dipôles 120 est égal à l'opposé du premier angle. Autrement dit, les dipôles 120 placés au-dessus des ouvertures 110 dans la deuxième configuration de l'antenne 100 (figure 1b) forment, avec les dipôles 120 placés au-dessus des ouvertures 110 dans la première configuration (figure 1 a), un angle égal au double de l'angle formé entre les dipôles 120 de la première configuration et les ouvertures 110.35 La figure 2 présente une vue d'un mode de réalisation d'une antenne selon l'invention. L'antenne 200 comporte deux panneaux 202, 203 double face, le premier panneau 202 étant destiné à la réception de signaux radiofréquences, le deuxième panneau 203 étant destiné à l'émission de signaux radiofréquences. Chaque panneau 202, 203 comporte une première face 202a, 203a orientée vers l'avant et une deuxième face 202b, 203b orientée vers l'arrière. Chaque panneau 202, 203, est fixé autour d'un premier axe tournant 204 permettant d'ajuster l'orientation des panneaux selon l'angle d'élévation. Ce premier axe 204 est monté sur des bras 206 mobiles autour d'un deuxième axe tournant 208, grâce à un pivot vertical 209 permettant d'ajuster l'orientation des panneaux 202, 203 selon l'angle azimut. Selon un autre mode de réalisation, un troisième axe intermédiaire est monté pour éviter les zones aveugles en limite de débattement de l'un des deux axes 204, 208 et ainsi permettre à l'antenne de couvrir aisément l'espace céleste. Les panneaux 202, 203 peuvent être actionnés en rotation à partir de moyens d'entraînements compris dans les bras 206, et peuvent être commandés pour effectuer au-moins un demi-tour complet, de manière à commuter les positions des deux faces 202a, 202b, 203a, 203b de chacun des panneaux 202, 203. Les bras 206 sont ainsi réalisés suffisamment longs pour permettre aux panneaux 202, 203 de renverser leur position sans heurter les éléments 207 faisant la jonction entre les bras 206 et le pivot 209. La figure 3 présente une vue agrandie des supports de guides 25 d'ondes utilisés par une antenne selon l'invention. Le panneau 203 comprend un cadre rigide 231, par exemple en matériau plastique ou métallique, solidaire du premier axe tournant 204. Ce cadre 231 permet de former un panneau rotatif à double face en supportant sur chaque face du panneau, une pluralité de guides d'ondes 233 s'étendant parallèlement les 30 uns aux autres. Les guides d'ondes 233 peuvent être alimentés avec un circuit tel que celui représenté et décrit plus loin en regard de la figure 5. Dans l'exemple, ces guides d'ondes 233 sont de section rectangulaire et sont percés dans leur partie supérieure (c'est-à-dire la face située à l'opposée du cadre rigide 231), de manière à former des fentes. 35 Avantageusement, les fentes sont orientées parallèlement les unes aux autres et dans le sens longitudinal des guides d'ondes 233, comme illustré précédemment en figures 1 a et lb. Dans l'exemple, les fentes sont placées à l'identique d'un guide d'onde à l'autre. De plus, dans chaque guide d'onde 233, les fentes sont de préférence placées en alternance de part et d'autre de l'axe médian longitudinal du guide d'onde 133 pour que les fentes rayonnent en phase, de manière à former une grille régulière de fentes sur l'ensemble de la surface d'une face du panneau 202, 203. Une couche 235 de matériau transparent aux ondes radiofréquences est placée au-dessus des guides d'onde 233 afin de supporter une pluralité de dipôles 237. Avantageusement, les dipôles 237 sont placés en regard des fentes formées dans les guides d'ondes 233, de manière à assurer une bonne transmission aux guides d'onde d'un signal reçu par l'antenne ou un rayonnement efficace par les dipôles 237 d'un signal transmis par ces guides d'onde 233. La figure 4 présente un exemple de disposition de dipôles pour un panneau compris par une antenne selon l'invention. Le plan gauche représente la première face 401 d'un panneau d'antenne selon l'invention lorsque cette première face est tournée vers l'avant de l'antenne, et le plan droit représente, à partir du même point de vue, la deuxième face 402 de ce même panneau (côté opposé à la première face 401) lorsque cette deuxième face 402 est dans la même position que la première face, c'est-à-dire tournée vers l'avant de l'antenne (la première face étant alors tournée vers l'arrière de l'antenne). Les dipôles 237 de la première face 401 sont orientés dans une première direction et les dipôles 238 de la deuxième face 402 sont orientés dans une position différente. Ainsi, lorsque le panneau est actionné en rotation pour effectuer un demi-tour, la face qui était en position inactive (tournée vers l'arrière de l'antenne) remplace la face qui était en position active, autrement dit, celle qui était tournée vers l'avant de l'antenne. L'antenne remplace une face rayonnante, qui était orientée selon un angle élévation et un angle azimut déterminés, par une face rayonnante dans la même position mais avec des dipôles orientés différemment. La polarisation de la face active est ainsi modifiée par une simple rotation du panneau d'antenne. Les dipôles peuvent être placés sur les faces 401, 402 de sorte que quelque soit la face qui est en configuration active, les emplacements des centres de gravité des dipôles sur cette face active soit les mêmes. Selon la configuration des bras 206 de support des panneaux 5 d'antenne, la rotation de changement de polarisation est effectuée autour de l'axe 204 de réglage de l'angle d'élévation, comme le montre la figure 2. Un dipôle 237 d'une face ne doit généralement pas, lorsqu'il subit une rotation d'un demi-tour, se retrouver dans une configuration identique à celle du dipôle de la face opposée qui est au même emplacement en configuration 10 active. Ce cas de figure ne doit au moins pas se produire pour tous les dipôles, à défaut de quoi les deux configurations actives d'antenne seraient identiques et aucun changement de polarisation ne serait possible. Dans l'exemple illustré en figure 4, les dipôles d'une même face sont tous orientés dans la même direction et lorsque les deux faces 401, 402 15 sont disposées l'une derrière l'autre sur un panneau rotatif, les dipôles 237 de la première face 401 sont parallèles aux dipôles 238 de la deuxième face 402. Selon un autre mode de réalisation de l'antenne selon l'invention, les dipôles d'une même face d'un panneau ne sont pas tous orientés dans la même direction. 20 Les exemples présentés dans ce texte comprennent des panneaux à double face, mais d'autres modes de réalisation comprenant des supports pourvus de trois, voire davantage de faces pourraient être mis en oeuvre. Par exemple, un support ayant une structure en forme de prisme triangulaire, le premier axe tournant 204 de l'antenne passant 25 longitudinalement au centre du prisme, permet de placer trois faces rayonnantes pourvues de dipôles orientés différemment d'une face à l'autre pour les deux premières faces et une troisième face sans dipôle et ainsi de proposer trois configurations de polarisation différentes. La figure 5 présente une vue des circuits d'alimentation des 30 guides d'ondes en signaux radiofréquence. L'architecture de l'antenne avec ses panneaux rotatifs impose des contraintes particulières sur sa réalisation. En effet, les signaux reçus ou émis par l'antenne ne peuvent passer qu'à travers les deux jonctions 261, 262 entre les panneaux 202, 203 et les bras 206, au niveau de l'axe de rotation 204. L'antenne comprend donc des joints 35 tournants au niveau de ces jonctions 261, 262. Des guides d'onde permettant de transporter les signaux entre les panneaux antennaires 202, 203 et les filtres et amplificateurs de la chaîne de traitement radioélectrique (front-end) sont passés à travers ces jonctions 261, 262. L'antenne selon l'invention comprend un circuit d'alimentation pour chaque face d'un panneau 5 antennaire 202, 203. Dans l'exemple, l'antenne comprend un premier circuit d'alimentation pour la première face 202a du panneau antennaire 202 de réception et un deuxième circuit d'alimentation pour la deuxième face 202b du panneau antennaire de réception 202. Chaque circuit d'alimentation comprend des guides d'ondes 251, 252 fixés au coeur de la structure du 10 panneau 202. Le premier circuit d'alimentation est décrit, le deuxième étant symétriquement identique dans l'exemple de réalisation. Le premier circuit d'alimentation comprend des guides d'onde d'alimentation 251 configurés pour alimenter des guides à fentes 256a, 256b, 256c, 256d, qui dans 15 l'exemple sont quatre guides à fentes orthogonaux aux guides d'ondes de rayonnement 233 (cf. figure 3). Les guides à fente 256a, 256b, 256c, 256d sont disposés pour alimenter par couplage l'ensemble des guides d'ondes de rayonnement 233. En résumé, une face d'un panneau comprend donc 20 successivement en partant du coeur du panneau vers l'extérieur de ce panneau : ^ un joint tournant, un commutateur 254 et des guides d'ondes d'alimentation 251 ; ^ des guides à fentes 256a, 256b ,256c, 256d alimentés par les guides 25 d'onde d'alimentation 251 ; ^ des guides d'ondes 233 pour rayonner sur les dipôles 237 ou recevoir les signaux captés par ces mêmes dipôles 237 (cf. figure 3) ; ^ une couche de matériau transparent aux ondes radioélectriques 235 pour supporter à une distance prédéterminée les dipôles 237 au- 30 dessus des guides d'ondes 233. L'antenne selon l'invention comprend en outre un commutateur 254 permettant de faire le lien entre les guides d'ondes de transmission des signaux vers le front-end et les guides d'ondes d'alimentation 251, 252 du panneau 202. Lors de la commutation de polarisation, le commutateur 254 35 fixé par exemple dans le cadre rigide 231 permet de sélectionner l'un ou l'autre des circuits d'alimentation 251, 252. Ainsi, par exemple, si la première face 202a est en position active et la deuxième face en position inactive 202b, le commutateur 254 est configuré pour transmettre au front-end les signaux captés sur la première face 202a. Lorsqu'une commutation de polarisation est déclenchée, le panneau 202 est tourné d'un demi-tour, ce qui prend, par exemple une seconde ou quelques secondes. Concomitamment, le commutateur 254 connecte le circuit front-end de l'antenne sur la nouvelle face active, c'est-à-dire la deuxième face 202b. Un avantage de l'antenne selon l'invention est qu'elle n'impose pas de distance entre les fentes formées dans les guides d'onde, ce qui permet de densifier le réseau d'éléments rayonnants et ainsi d'obtenir un diagramme de rayonnement directif. En outre, son principe fabrication est simple et permet de modifier l'orientation de tous les dipôles par l'intermédiaire d'un mouvement commun (dans l'exemple, une rotation du panneau), ce qui évite les écarts de réglage d'orientation entre les dipôles. Elle permet d'opérer une commutation de polarisation à moindre frais, évitant des mécanismes complexes opérant des commutations distinctes par dipôles ou groupes de dipôles.20 REVENDICATIONS1. Antenne à commutation de polarisation comprenant un support (231) comportant au moins deux faces (202a, 202b, 203a, 203b) supportant chacune une pluralité de guides d'ondes (233) alimentés par des signaux radiofréquences et ajourés par des ouvertures (110) disposées pour éclairer des éléments rayonnants (120, 237) placés à distance desdites ouvertures (110), caractérisé en ce que pour au moins un pointage d'antenne donné, ledit support (231) est apte à basculer entre au moins deux configurations différentes, ledit support (231) étant configuré pour placer, dans la deuxième configuration, la deuxième face (202b, 203b) dans une position identique à celle prise par la première face (202a, 203a) dans la première configuration, plusieurs éléments rayonnants (237) de la première face (202a, 203a) étant, dans ladite position, orientés différemment d'éléments rayonnants (238) de la deuxième face (202b, 203b). 2. Antenne à commutation de polarisation selon la revendication 1, dans laquelle le support (231) est fixé sur un axe tournant (204) adapté à basculer entre les deux configurations par rotation. 3. Antenne à commutation de polarisation selon la revendication 2, dans laquelle l'axe tournant (204) est configuré pour que les positions respectives de la première (202a, 203a) et de la deuxième face (202b, 203b) du support (231) se substituent mutuellement après rotation du support (231) d'un demi-tour autour dudit axe (204). 4. Antenne à commutation de polarisation selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle l'axe tournant (204) est parallèle à chacune des faces (202a, 203a, 202b, 203b). 5. Antenne à commutation de polarisation selon l'une des revendications 2 à 4, dans laquelle l'axe tournant (204), dit premier axe tournant, estmonté sur un deuxième axe tournant (208) orthogonal audit premier axe tournant (204). 6. Antenne à commutation de polarisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les éléments rayonnants sont des dipôles (237). 7. Antenne à commutation de polarisation selon la revendication 6, dans laquelle les dipôles (237, 238) d'une même face (202a, 202b, 203a, 203b) sont tous orientés dans la même direction. 8. Antenne à commutation de polarisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la première face (202a, 203a) comprend un nombre d'éléments rayonnants (237) égal au nombre d'éléments rayonnants présents sur la deuxième face (202b, 203b), les éléments rayonnants étant disposés sur chacune des faces de sorte qu'à chaque élément rayonnant de la première face corresponde un élément rayonnant de la deuxième face dont le barycentre dans la deuxième configuration est identique au barycentre de l'élément rayonnant correspondant de la première face lorsqu'il est dans la première configuration. 9. Antenne à commutation de polarisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les guides d'ondes (233) sont des guides à section rectangulaire, les ouvertures (110) étant réparties, pour chacun des guides d'ondes (233), sur une face dudit guide d'ondes en alternance de part et d'autre de son axe médian longitudinal. 10. Antenne à commutation de polarisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle pour deux ouvertures adjacentes d'un guide d'onde (233), un élément rayonnant (237) est placé au-dessus de chacune des ouvertures.