Brevet FR3002698A1 — publié le 20140829

La présente invention concerne des antennes monopôles microondes, disposées à l'intérieur d'un radôme. Les antennes monopôles microondes connues présentent une surface de révolution, par exemple cylindrique ou conique, et on sait que, sur toute leur bande passante, elles présentent un diagramme de rayonnement omnidirectionnel uniforme dans un plan orthogonal à leur axe. On sait de plus, comme le montrent par exemple les documents antérieurs US 7 006 047 et US 7 116 278, que de telles antennes omnidirectionnelles peuvent être montées sur un plan conducteur constitué par la surface extérieure d'un véhicule porteur, tel qu'un aéronef, par exemple à des fins de communication ou de détection de radars. Afin de protéger lesdites antennes, chacune de celles-ci est entourée par un radôme cylindrique qui lui est coaxial. Du fait de sa forme cylindrique et de son montage coaxial, un tel radôme ne perturbe pas l'uniformité omnidirectionnelle du diagramme de rayonnement de l'ensemble antenne-radôme ainsi obtenu. Un tel ensemble antenne-radôme connu présente toutefois l'inconvénient que le radôme cylindrique est disposé orthogonalement au flux d'air autour dudit véhicule, de sorte qu'il engendre une traînée aérodynamique élevée. Pour éviter cet inconvénient, on pourrait songer à donner audit radôme une forme aérodynamique profilée ; mais, alors, une telle forme (par définition non de révolution autour de l'axe de l'antenne) et aussi la constitution du radôme (dont la permittivité est généralement supérieure à 1 pour des raisons de résistance mécanique) entraîneraient la disparition de l'uniformité du diagramme de rayonnement omnidirectionnel de l'ensemble antenne-radôme profilé, avec des déformations plus ou moins prononcées en fonction de la fréquence et de la direction pouvant conduire à des valeurs de gain (exprimées en décibels par rapport au cas isotrope) très négatives en certains points dudit diagramme de rayonnement. La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient en permettant de réaliser un tel ensemble antenne-radôme présentant, à la fois, un rayonnement omnidirectionnel uniforme et une faible traînée aérodynamique. A cette fin, selon l'invention, le procédé pour uniformiser le diagramme de rayonnement d'un ensemble comportant : - une antenne monopôle, et - un radôme aérodynamiquement profilé, à l'intérieur duquel est disposée ladite antenne monopôle, est remarquable en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - détermination du diagramme de rayonnement dudit ensemble antenne- radôme ; - détermination des directions, autour de l'axe de ladite antenne monopôle disposée dans ledit radôme, dans lesquelles ledit diagramme de rayonnement de l'ensemble antenne-radôme présente des zones dans lesquelles les valeurs de gains sont amoindries par rapport au diagramme de rayonnement de ladite antenne monopôle ; et - formation, à la surface de ladite antenne monopôle, d'une crête longitudinale saillante au moins approximativement en regard d'au moins l'une desdites zones de gain amoindri ainsi déterminées. En effet, les demanderesses ont trouvé que de telles crêtes permettaient de réorienter, dans les directions dans lesquelles elles sont dirigées, les ondes de l'antenne perturbées par la présence du radôme et donc de combattre la formation de zones du diagramme de rayonnement à valeurs de gain amoindries, et même négatives. Ainsi, grâce à la présente invention, ledit ensemble antenne-radôme présente une faible traînée aérodynamique, du fait du profilage dudit radôme, et un rayonnement omnidirectionnel au moins approximativement uniforme, du fait que lesdites crêtes constituent des zones de diffraction électromagnétique permettant de contrôler le rayonnement de l'antenne pourvue dudit radôme aérodynamique. Selon l'invention, un ensemble comportant : - une antenne monopôle, et - un radôme aérodynamiquement profilé, à l'intérieur duquel est disposée ladite antenne monopôle, est remarquable en ce que ladite antenne comporte, à sa surface, au moins une crête longitudinale saillante. Dans un mode de réalisation préféré dudit ensemble antenne-radôme conforme à la présente invention : - ledit radôme est un corps aérodynamique creux profilé comportant deux parois latérales opposées, reliées à leurs extrémités par un bord d'attaque et par un bord de fuite qui définissent un plan longitudinal médian pour ledit radôme, - l'axe de ladite antenne se trouve dans ledit plan longitudinal médian et est orienté perpendiculairement au plan conducteur, et - la surface de ladite antenne comporte transversalement audit plan longitudinal médian dudit radôme et de part et d'autre dudit plan, deux crêtes longitudinales, respectivement disposées en regard direct de la paroi latérale correspondante dudit radôme. Dans un mode de réalisation avantageux, de part et d'autre de chacune desdites crêtes longitudinales, disposées en regard direct des parois latérales du radôme, la surface de ladite antenne monopôle comporte deux crêtes longitudinales en regard oblique de la paroi latérale correspondante du radôme. De préférence, lesdites crêtes longitudinales disposées en regard direct et lesdites crêtes longitudinales disposées en regard oblique des parois latérales du radôme sont des portions d'ellipses. Dans ce cas, l'ensemble desdites crêtes longitudinales peut appartenir à trois ellipses, centrées sur l'axe de ladite antenne, dont les petits axes, les grands axes et les orientations relatives forment des paramètres pour optimiser l'uniformisation du diagramme de rayonnement dudit ensemble antenne monopôle-radôme. En variante, de chaque côté du plan longitudinal médian du radôme, la crête longitudinale disposée en regard direct de la paroi latérale correspondante du radôme et les deux crêtes longitudinales associées disposées en regard oblique de cette dernière paroi latérale peuvent fusionner pour former une unique saillie latérale arrondie. Dans ce cas, en regard dudit bord d'attaque et dudit bord de fuite du radôme, la surface de ladite antenne présente une gorge arrondie. Afin de réduire les effets de diffraction engendrés par l'extrémité ouverte de ladite antenne monopôle, cette extrémité est avantageusement fermée par un obturateur. Un tel obturateur peut présenter différentes formes, par exemple celle d'une calotte. Par ailleurs, pour réduire l'encombrement latéral de l'antenne, il peut être avantageux que ladite antenne monopôle soit disposée dans une forme creuse d'un matériau diélectrique, par exemple de type céramique, qui en épouse la forme et dont la permittivité résulte d'un compromis entre la réduction latérale de ladite antenne et la bande passante de celle-ci. Dans un exemple de réalisation, l'antenne monopôle est en laiton, la permittivité du matériau constituant le radôme (par exemple un matériau composite du type FR-4) est de l'ordre de 4, et la permittivité du matériau constituant ledit cylindre creux est de l'ordre de 5. De préférence, afin de solidariser ladite antenne monopôle dudit radôme, ce dernier est empli d'une mousse de permittivité réduite (par exemple de l'ordre de 1) emprisonnant ladite antenne monopôle. La présente invention peut être mise en oeuvre aussi bien pour des antennes monopôles de forme générale conique à large bande passante que pour des antennes monopôles de forme générale cylindrique à bande passante étroite. Toutefois, ci-après, on a principalement considéré une antenne monopôle de forme générale conique. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre, en perspective schématique, un radôme de forme aérodynamique enfermant une antenne monopôle conique connue. La figure 2 est une vue de dessus de la figure 1. La figure 3 montre le diagramme de rayonnement en dB et à 5 GHz de l'ensemble radôme-antenne monopôle des figures 1 et 2, en comparaison avec le diagramme de rayonnement de la seule antenne monopôle conique connue. La figure 4A montre la section d'une antenne monopôle conforme à la présente invention. La figure 4B illustre comment la section de la figure 4A peut être obtenue. La figure 5 montre, en coupe schématique, la disposition de l'antenne monopôle de la figure 4A, conforme à la présente invention, à l'intérieur du radôme. La figure 6 montre le diagramme de rayonnement en dB et à 5GHz de l'ensemble radôme-antenne monopôle de la figure 5, en comparaison avec le diagramme de rayonnement de la seule antenne monopôle conique connue. La figure 7 montre, en perspective, une variante de réalisation de l'antenne monopôle conforme à la présente invention. La figure 8 montre une section agrandie de l'antenne monopôle de la figure 7. La figure 9 illustre la disposition de l'antenne monopôle de la figure 7 à l'intérieur du radôme, celui-ci étant supposé au moins sensiblement transparent aux ondes de l'antenne monopôle. La figure 10 montre le diagramme de rayonnement en dB et à 5GHz de l'ensemble radôme-antenne monopôle de la figure 9, en comparaison avec le diagramme de rayonnement de la seule antenne monopôle conique connue. Le radôme 1, représenté sur les figures 1, 2, 5 et 9, est réalisé en un matériau composite de type résine chargé de fibres diélectriques de permittivité voisine de 4, par exemple en un matériau composite du type FR-4 (Flame Resistant 4). Le radôme 1 présente la forme d'un corps creux aérodynamique profilé 2, comportant deux parois latérales opposées 3 et 4, reliées à leurs extrémités par un bord d'attaque 5 et par un bord de fuite 6. Le bord d'attaque 5 et le bord de fuite 6 définissent un plan longitudinal médian de symétrie M pour ledit radôme, contenant l'axe longitudinal X-X de celui-ci. A l'intérieur du radôme 1 des figures 1 et 2, on a disposé une antenne monopôle conique à microondes 7, par exemple en laiton, qui est apte à travailler dans la bande de fréquence de 0,7GHz à 6GHz et dont l'axe longitudinal f-f se trouve dans le plan longitudinal médian M du radôme 1 et est orienté perpendiculairement au plan conducteur. Le plan T, passant par l'axe f-f de l'antenne 7 et orthogonal au plan longitudinal médian M, définit un axe transversal Y-Y, perpendiculaire à l'axe longitudinal X-X. Ainsi, les axes X-X et Y-Y forment un repère de référence rectangulaire autour de l'axe longitudinal f-f de l'antenne monopôle 7. Dans les diagrammes des figures 3, 6 et 10, l'axe X-X correspond à l'orientation 0° - 180°, tandis que l'axe Y-Y correspond à l'orientation 90°-270°. De façon connue, lorsque l'antenne monopôle 7 n'est pas disposée dans le radôme 1, son diagramme de rayonnement R7 est uniformément omnidirectionnel et ses valeurs de gain sont positives dans toutes les directions (voir les figures 3, 6 et 10). En revanche, dans la configuration des figures 1 et 2 pour laquelle l'antenne monopôle 7 est disposée dans le radôme 1, le diagramme de rayonnement R17 de l'ensemble radôme 1-antenne monopôle 7 présente des fluctuations importantes en fonction de la direction (voir la figure 3). En effet, le champ rayonné par l'ensemble radôme 1 - antenne monopôle 7 est fonction de la répartition des champs électriques et magnétiques sur les faces du radôme 7, ces champs dépendant des coefficients de réflexion et de transmission des parois dudit radôme, qui eux-mêmes sont des fonctions de l'angle d'incidence des ondes sur les faces du radôme. Comme on peut le voir sur la figure 3, le diagramme de rayonnement R1 7 à 5GHz peut présenter des déviations de gain de +/- 10dB autour de la valeur moyenne, certaines valeurs de gain étant même négatives (proches de - 10dB). Pour remédier à ces inconvénients et obtenir un ensemble radôme 1-antenne monopôle présentant un diagramme de rayonnement omnidirectionnel sensiblement uniforme, l'invention consiste, pour un radôme aérodynamique de forme et de permittivité données et, de préférence, tout en conservant l'enveloppe externe de ladite antenne 7, à optimiser le contour de la section de l'antenne monopôle en formant sur la surface de celle-ci des convexités (crêtes saillantes) et, par conséquent, des concavités (gorges) constituant des zones de diffraction électromagnétique qui, par couplage électromagnétique avec le radôme aérodynamique 1, sont aptes à permettre d'obtenir un tel diagramme de rayonnement omnidirectionnel au moins sensiblement uniforme. Ainsi, le nombre, la répartition et la taille desdites crêtes saillantes et desdites gorges sont autant de paramètres qui permettent de contrôler la diffraction des ondes électromagnétiques sur la surface de l'antenne monopôle et, donc, de contrôler le rayonnement de l'ensemble du radôme aérodynamique 1 et de l'antenne monopôle. L'invention s'appuie sur le fait que, en première approche, une crête focalise l'énergie dans la direction qu'elle regarde. Ainsi, en se reportant à la figure 3, on constate que le diagramme de rayonnement R17 de l'ensemble du radôme 1 et de l'antenne monopôle 7 présente, par rapport au diagramme de rayonnement R7, de l'antenne 7 seule, des zones de valeurs de gain amoindries, et même parfois négatives, au moins approximativement dans les directions 30°- 210°, 90° - 270° et 150° - 330°. Ces zones de gain amoindri sont respectivement référencées Z30, Z90, Z1 50, Z210, Z270 et Z330. Conformément à la présente invention, pour combler au moins certaines de ces zones Z30, Z90, Z150, Z210, Z270 et Z330, on prévoit, à la surface de l'antenne de l'invention, des crêtes longitudinales saillantes au moins approximativement en regard desdites zones. Une telle antenne monopôle 8, conforme à la présente invention est représentée sur la figure 4A, sur laquelle on peut voir que la surface de ladite antenne monopôle 8 comporte des crêtes longitudinales saillantes 9.30, 9.90, 9.150, 9.210, 9.270 et 9.330, respectivement dans les directions 30°, 90°, 150°, 210°, 270° et 330°, c'est-à-dire au moins approximativement en regard desdites zones Z30, Z90, Z150, Z210, Z270 et Z330, lorsque l'antenne monopôle 8 est disposée dans le radôme 1, comme cela est illustré schématiquement par la figure 5. Ainsi, les crêtes 9.90 et 9.270 sont disposées respectivement en regard direct des parois latérales 3 et 4 du radôme 1, alors que les crêtes 9.30 et 9.150, 9.210 et 9.330 sont disposées en regard oblique desdites parois latérales 3 et 4. Comme l'illustre la figure 4B, les crêtes 9.30, 9.90, 9.150, 9.210, 9.270 et 9.330 peuvent présenter la forme de portions de trois ellipses, ces ellipses E1, E2 et E3 étant coaxiales. Sur la figure 4B, on a représenté des ellipses E1, E2 et E3 identiques, mais il va de soi qu'elles peuvent être différentes, comme cela est montré sur la figure 5. On comprendra aisément que la taille des ellipses E1, E2, E3 (définie par le grand axe et le petit axe de celles-ci), ainsi que l'inclinaison de leurs axes par rapport à l'axe longitudinal X-X du radôme 1, sont des paramètres permettant d'optimiser l'uniformisation du diagramme de rayonnement R18 de l'ensemble antenne monopôle 8 radôme 1. Sur la figure 6, on a tracé le diagramme de rayonnement R18 à 5GHz et on peut y voir que les zones Z90 et Z270 ont été éliminées, que les zones Z30, Z150, Z210, et Z330 ont été réduites et que le gain a été amélioré dans la direction, de l'axe X-X. Tout au plus, le diagramme de rayonnement R18 présente des déviations de gain résiduelles de +1- 4dB autour de la valeur moyenne, la valeur minimale de gain étant -3dB. Pour optimiser encore plus le diagramme de rayonnement de l'ensemble antenne monopôle-radôme, on peut utiliser un outil de conception d'antenne connu qui inclut un module d'optimisation (par exemple mettant en oeuvre un algorithme d'optimisation tel que la méthode Newton) et dans lequel l'antenne et son radôme sont décrits par un modèle géométrique, de type CAO. On peut alors obtenir une antenne monopôle perfectionnée, telle que l'antenne 10 illustrée par les figures 7, 8 et 9. Dans cette antenne monopôle 10 conforme à la présente invention, chacune des crêtes longitudinales 9.90 et 9.270 disposées en regard direct des parois latérales 3 et 4 du radôme 1 est fusionnée avec les deux crêtes longitudinales associées (9.30 et 9.150 pour la crête 9.90 et 9.210 et 9.330 pour la crête 9.270) disposées en regard oblique pour former une unique saillie latérale arrondie 11 ou 12, respectivement. Ainsi, en regard du bord d'attaque 5 et en regard du bord de fuite 6 du radôme 1, la surface de l'antenne monopôle 10 présente une gorge arrondie 13 ou 14, respectivement. Le diagramme de rayonnement R110 à 5GHz de l'ensemble du radôme 1 et de l'antenne monopôle 10 est représenté sur la figure 10. Comme on peut le voir, les déviations de gain résiduelles sont au plus de +/- 2dB autour de la valeur moyenne, la valeur minimale de gain étant -1dB. Comme le montrent les figures 7 et 9, l'extrémité ouverte de l'antenne monopôle 10 est avantageusement fermée par un obturateur 15. De plus, l'antenne monopôle 8 (figure 5) et l'antenne monopôle 10 (figure 9) peuvent être disposées dans un cylindre creux 16 d'un matériau diélectrique qui épouse la forme desdites antennes et dont la permittivité résulte d'un compromis entre une réduction latérale de l'antenne et la bande passante de celle-ci. Ces antennes monopôles 8 et 10, conformes à la présente invention, sont de préférence solidarisées du radôme 1 par une mousse 17, de permittivité proche de 1, emplissant ledit radôme 1 (figures 2 et 5). Bien que sur les figures, on ait représenté des antennes monopôles de forme générale conique, il va de soi que la présente invention concerne également des antennes monopôles de forme générale cylindrique. REVENDICATIONS1. Procédé pour uniformiser le diagramme de rayonnement d'un ensemble comportant : - une antenne monopôle, et - un radôme aérodynamiquement profilé, à l'intérieur duquel est disposée ladite antenne monopôle, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - détermination du diagramme de rayonnement dudit ensemble antenne- radôme ; - détermination des directions, autour de l'axe de ladite antenne monopôle disposée dans ledit radôme, dans lesquelles ledit diagramme de rayonnement de l'ensemble antenne-radôme présente des zones dans lesquelles les valeurs de gains sont amoindries par rapport au diagramme de rayonnement de ladite antenne monopôle ; et - modification de la surface de ladite antenne monopôle , pour y former une crête longitudinale saillante au moins approximativement en regard d'au moins l'une desdites zones de gain amoindri ainsi déterminées. 2. Ensemble comportant : - une antenne monopôle, et - un radôme aérodynamiquement profilé, à l'intérieur duquel est disposée ladite antenne monopôle, caractérisé en ce que ladite antenne monopôle (8, 10) comporte, à sa surface, au moins une crête longitudinale saillante (9, 11, 12). 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que : - ledit radôme (1) est un corps aérodynamique creux profilé comportant deux parois latérales opposées (3, 4) reliées à leurs extrémités par unbord d'attaque (5) et par un bord de fuite (6) qui définissent un plan longitudinal médian (M) pour ledit radôme, - l'axe (fi) de ladite antenne se trouve dans ledit plan longitudinal médian (M) et est orienté perpendiculairement au plan conducteur, et - la surface de ladite antenne comporte transversalement audit plan longitudinal médian dudit radôme et de part et d'autre dudit plan, deux crêtes longitudinales (9.90, 9.270 ; 11, 12) respectivement disposées en regard direct de la paroi latérale (3, 4) correspondante dudit radôme (1 ). 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que, de part et d'autre de chacune desdites crêtes longitudinales (9.90, 9.270, 11, 12), disposées en regard direct des parois latérales (3, 4) du radôme (1), la surface de ladite antenne monopôle comporte deux crêtes longitudinales (9.30, 9.150 ; 9.270, 9.330) en regard oblique de la paroi latérale (3, 4) correspondante du radôme. 5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites crêtes longitudinales disposées en regard direct et lesdites crêtes longitudinales disposées en regard oblique des parois latérales du radôme sont des portions d'ellipses (E1, E2, E3) ; 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites crêtes longitudinales appartiennent à trois ellipses centrées sur l'axe (fi) de ladite antenne (E1, E2, E3), dont les petits axes, les grands axes et les orientations relatives forment des paramètres pour optimiser l'uniformisation du diagramme de rayonnement dudit ensemble antenne monopôle-radôme . 7. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que, de chaque côté du plan longitudinal médian (M) du radôme (1), la crête longitudinale disposée en regard direct de la paroi latérale correspondante du radôme et les deux crêtes longitudinales associéesdisposées en regard oblique de cette dernière paroi latérale fusionnent pour former une unique saillie latérale arrondie (11, 12). 8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que, respectivement en regard dudit bord d'attaque et dudit bord de fuite du radôme, la surface de ladite antenne présente une gorge arrondie (13, 14). 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'extrémité ouverte de ladite antenne monopôle est fermée par un obturateur (15). 10. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que ladite antenne monopôle est disposée dans une forme creuse (16) de matériau diélectrique épousant la forme de ladite antenne. 11. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que ledit radôme est empli d'une mousse (17) de permittivité proche de 1 emprisonnant ladite antenne monopôle et la solidarisant dudit radôme. 12. Antenne monopôle destinée à être disposée dans un radôme aérodynamiquement profilé, caractérisé en ce que sa surface comporte au moins une crête longitudinale saillante (9, 11, 12).