Brevet FR3013905A1 — publié le 20150529

Structure antennaire compacte pour télécommunications par satellites La présente invention concerne une structure antennaire pour télécommunications, une plateforme comprenant la structure antennaire et un procédé de communication par satellites entre deux stations utilisant la structure antennaire. Dans le domaine des communications satellitaires haut débit (c'est-à-dire ne transmettant pas uniquement de la voix), l'obtention d'une communication de bonne qualité implique des performances particulières pour les ondes électromagnétiques produites par la structure antennaire utilisée dans la communication en termes de gain et de niveau des lobes secondaires (rapport entre l'intensité des lobes secondaires et l'intensité du lobe principal). Pour cela, il est connu d'utiliser, par exemple, une structure antennaire de type parabolique comprenant une source produisant des ondes électromagnétiques et une parabole agencée pour focaliser les ondes électromagnétiques produites par la source. La source est positionnée à un point focal de la parabole. Afin d'avoir les meilleures performances au regard des critères mentionnés précédemment en termes de gain et de niveau des lobes secondaires, la parabole doit présenter un diamètre d'au moins 40 centimètres pour éviter un masquage important de la source émettrice. Toutefois, dans le cas précédent, pour pointer le faisceau rayonné dans une direction particulière, deux motorisations sont nécessaires. Aussi, la structure antennaire peut présenter un encombrement gênant dans certaines applications impliquant notamment l'implantation de la structure antennaire sur une plateforme aérienne, par exemple, sur un hélicoptère. Il est également connu d'utiliser une structure antennaire à balayage électronique par déphasage. Une telle structure antennaire implique d'utiliser des sources élémentaires le plus souvent sous la forme de patchs (notamment superposés) pour obtenir une bande passante relativement large. La vérification du critère en terme de gain pour la structure antennaire impose, en outre, de recourir à la mise en réseau d'un certain nombre de sources élémentaires. Mais, cela entraîne une augmentation de l'encombrement global de la structure antennaire. De plus, dans le cas où l'émission d'une polarisation circulaire est souhaitée, l'emploi d'une structure antennaire à balayage électronique peut impliquer d'employer un polariseur additionnel, ce qui peut dégrader légèrement le gain de la structure rayonnante comprenant la structure antennaire et le polariseur. En outre, pour pointer le faisceau dans une direction particulière, au moins une motorisation est indispensable. En fonction de l'encombrement global de la structure antennaire, des contraintes fortes en terme de couple moteur sont nécessaires au niveau du dispositif de motorisation à utiliser. Il existe donc un besoin pour une structure antennaire pour télécommunications, en particulier satellitaires, présentant un encombrement réduit (c'est-à-dire un diamètre inférieur à 10 fois la longueur d'onde relative à la fréquence de fonctionnement) tout en permettant l'obtention d'une communication haut débit de bonne qualité, notamment en termes de gain et de réduction des lobes secondaires. A cet effet, l'invention propose une structure antennaire pour télécommunications, notamment par satellite, comprenant au moins une antenne élémentaire présentant une forme hélicoïdale et dimensionnée pour émettre et/ou recevoir au moins une onde électromagnétique présentant une fréquence supérieure à 4 GHz, de préférence comprise entre 4 GHz et 50 GHz, notamment comprise dans une bande de spectre choisie parmi la bande X et la bande Ku. Suivant des modes de réalisation particuliers, la structure antennaire comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - la structure antennaire comprend une surface d'émission-réception de forme générale circulaire, chaque antenne élémentaire s'étendant entre une première extrémité adjacente à la surface d'émission-réception et une deuxième extrémité distante de la surface d'émission-réception. - la structure antennaire comprend au moins deux ensembles d'une pluralité d'antennes élémentaires, les antennes élémentaires de chaque ensemble étant agencées le long d'un cercle de rayon propre de cet ensemble, tous lesdits cercles étant concentriques. - la structure antennaire comprend un boîtier cylindrique dont la surface de base est la surface d'émission-réception délimitant une cavité d'alimentation des antennes élémentaires en ondes électromagnétiques agencée en contact avec la surface d'émission-réception. - les antennes élémentaires sont dépourvues d'une boucle d'insertion du champ magnétique et comprennent en outre un élément d'insertion du champ électrique, l'élément d'insertion étant notamment une tige métallique. - l'élément d'insertion est une tige métallique et les antennes élémentaires comprennent en outre un dispositif isolant de nature diélectrique inséré entre la tige et le boîtier. - la structure antennaire comprend une surface d'émission-réception de forme générale rectangulaire, chaque antenne élémentaire s'étendant entre une première extrémité adjacente à la surface et une deuxième extrémité distante de la surface d'émission-réception. - la structure antennaire comprend des sources d'alimentation et au moins deux ensembles d'une pluralité d'antennes élémentaires, les antennes élémentaires de chaque ensemble étant le long d'une ligne propre de cet ensemble, chaque ligne étant parallèle aux autres lignes propres et étant alimentée par une source d'alimentation respective. En outre, l'invention se rapporte aussi à une plateforme, notamment aérienne, comprenant au moins une structure antennaire telle que décrit précédemment. La présente invention a également pour objet un procédé de télécommunication, notamment par satellite, entre deux stations comprenant une étape d'émission ou de réception d'ondes électromagnétiques présentant une fréquence supérieure à 4 GHz, de préférence entre 4 GHz et 50 GHz, notamment comprise dans une bande de spectre choisie parmi la bande X et la bande Ku, par une structure antennaire telle que décrit précédemment. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui sont : figures 1 à 3, des schémas d'une structure antennaire selon un premier mode de réalisation respectivement en vue de haut, en perspective et en vue de côté ; figure 4, un graphique montrant l'évolution de l'adaptation de la structure antennaire du premier mode de réalisation en fonction de la fréquence (cas d'une structure adaptée par les bandes satellite en bande X) ; figure 5, un diagramme de rayonnement en gain de la structure antennaire du premier mode de réalisation ; figures 6 et 7, des schémas d'une structure antennaire selon un deuxième mode de réalisation en perspective et en vue de côté ; figure 8, un diagramme de rayonnement en gain de la structure antennaire du deuxième mode de réalisation ; figures 9 et 10, des schémas d'une structure antennaire selon un troisième mode de réalisation en perspective vue de haut et en perspective vue du bas, et figure 11, un graphique montrant l'évolution du gain en fonction de l'angle d'émission considéré pour la structure antennaire du troisième mode de réalisation. Une structure antennaire 10 pour télécommunications, notamment par satellite, est représentée sur la figure 1. La structure antennaire 10 comprend une antenne élémentaire 12, une surface d'émission-réception 14 et un radôme 16. L'antenne élémentaire 12 présente une forme hélicoïdale. Ainsi, l'antenne élémentaire 12 comporte une partie émissive constituée d'un fil métallique décrivant une spirale qui s'enroule autour d'un axe. En l'occurrence, cet axe est la normale à la surface d'émission-réception 14. La projection de la spirale sur la surface d'émission-réception 14 est un cercle dont le diamètre est noté D. De manière connue en soi, le diamètre de la projection de la spirale, le nombre de spires de la spirale, l'espacement entre ces spires permettent de déterminer la ou les fréquences que l'antenne élémentaire 12 est propre à émettre ou à recevoir. L'antenne élémentaire 12 peut être dimensionnée pour émettre et/ou recevoir une onde électromagnétique présentant une fréquence supérieure à 4 GHz pour des applications dans le contexte des communications satellitaires Cela signifie qu'une telle antenne élémentaire 12 présente une extension le long de la direction Z inférieure à 20 millimètres (mm) et un diamètre inférieur à 30 mm. Avantageusement, l'antenne élémentaire 12 est dimensionnée pour émettre et/ou recevoir une onde électromagnétique présentant une fréquence comprise entre 4 GHz et 50 GHz. Cela signifie qu'une telle antenne élémentaire 12 présente une extension le long de la direction Z comprise entre 1,5 mm et 20 mm et un diamètre compris entre 2 mm et 30 mm. De préférence, l'antenne élémentaire 12 est dimensionnée pour émettre et/ou recevoir une onde électromagnétique présentant une fréquence comprise dans une bande de spectre choisie parmi la bande X et la bande Ku. Par définition, une onde électromagnétique dans le domaine de communications satellitaires appartient à la bande X lorsque l'onde présente une fréquence comprise entre 7,2 GHz et 8,4 GHz. Ainsi, une antenne élémentaire 12 est propre à émettre et/ou recevoir une onde électromagnétique appartenant à la bande X si l'antenne élémentaire 12 présente une extension le long de la direction Z comprise entre 9 mm et 10 mm et un diamètre compris entre 14 mm et 15 mm. Par définition, une onde électromagnétique dans le domaine des communications satellitaires appartient à la bande Ku lorsque l'onde présente une fréquence comprise entre 10,7 GHz et 14,25 GHz. Ainsi, une antenne élémentaire 12 est propre à émettre et/ou recevoir une onde électromagnétique appartenant à la bande Ku si l'antenne élémentaire 12 présente une extension le long de la direction Z comprise entre 6 mm et 8 mm et un diamètre compris entre 10 mm et 12 mm. L'antenne élémentaire 12 s'étend entre une première extrémité 18 alimentée par un accès coaxial présent sur la surface d'émission-réception 14 et une deuxième extrémité 20 distante de la surface d'émission-réception 14. La première extrémité 18 est adjacente à la surface d'émission réception 14. L'antenne élémentaire 12 fait ainsi saillie depuis la surface d'émission-réception 14. La surface d'émission-réception 14 est de forme circulaire. La surface d'émission-réception 14 présente une aire A inférieure ou égale à 100*À2 où « * » désigne l'opération mathématique de multiplication, et À désigne la longueur d'onde moyenne des différentes longueurs d'ondes des ondes que les antennes élémentaires 12 sont dimensionnées à émettre et/ou recevoir. Par exemple, selon l'exemple de la figure 1, l'aire A est inférieure à 7600 mm2. La structure antennaire 10 comporte, en outre, un boîtier 22 cylindrique dont la surface de base est la surface d'émission-réception 22. Le boîtier 22 délimite une cavité d'alimentation de l'antenne élémentaire 12 en ondes électromagnétiques agencée avec des orifices d'accès coaxiaux présents sur la surface d'émission-réception 14. Le boîtier 22 comporte une entrée 24 d'injection d'une onde électromagnétique, le champ électrique de l'onde électromagnétique se propageant ensuite dans la cavité radiale. L'antenne élémentaire 12 est pourvue d'élément d'insertion du champ électrique. Cela signifie que l'antenne élémentaire 12 est dépourvue d'une boucle d'insertion du champ magnétique. Dans un exemple, l'élément d'insertion du champ électrique est une tige métallique pouvant être ou non en contact avec le boîtier 22. Dans le cas où il n'aurait pas de contact, un dispositif isolant de nature diélectrique est inséré entre la tige et le boîtier 22 qui permet de maintenir la rectitude de la tige et incidemment de l'antenne élémentaire 12. Idéalement ce dispositif isolant présente des caractéristiques diélectriques inférieures à 4 afin de garantir des performances optimales de la structure antennaire. Le radôme 16 présente une forme cylindrique dont la base est la surface d'émission-réception 14. Le radôme 16 présente un diamètre inférieur à 50 millimètres (mm). Le radôme 16 présente une extension, le long de la direction Z, inférieure à 14 mm et est positionné à une distance supérieure à 1 mm des antennes élémentaires 12. La structure antennaire 10 peut être en plastique métallisé, notamment le boîtier 22 et l'antenne élémentaire 22 sont dans un tel matériau pour limiter son poids global. Mais idéalement, le matériau doit être un métal conducteur. En fonctionnement, la structure antennaire 10 est alimentée par une onde électromagnétique. L'antenne élémentaire 12 capte le champ électrique issu de cette onde électromagnétique pour émettre une onde dans la bande de fréquence souhaitée. La figure 4 montre que sur toute la bande d'intérêt (dans ce cas, il s'agit de la bande X) l'adaptation est inférieure à -20 dB. Cela témoigne de la bonne adaptation en terme d'impédance de l'antenne pour un fonctionnement dans la bande X. Il apparaît sur la figure 5 que la structure antennaire 10 présente un gain de l'ordre de 13 dB. La source élémentaire hélicoïdale présente une large bande, soit une bande supérieure à 25% autour de la fréquence centrale de fonctionnement, à polarisation circulaire et une très bonne efficacité de rayonnement (notamment le rapport axial pour une aussi petite antenne est meilleur que dans l'état de la technique et apodisation de l'onde émise facilitée). Il en résulte que la structure antennaire 10 présente des meilleures performances qu'une parabole de taille réduite, une meilleure compacité et un poids réduit (cet effet étant accentué dans les autres modes de réalisation présentés ci-après). Ce poids réduit permet de réduire les contraintes notamment dans le cas où la structure antennaire 10 est accompagnée d'un positionneur mécanique. La structure antennaire 10 est capable d'émettre une onde polarisée circulaire sans utilisation d'un polariseur additionnel. Les figures 6 et 7 illustrent un deuxième mode de réalisation de la structure antennaire 10 selon l'invention. Les éléments identiques au premier mode de réalisation de la figure 1 ne sont pas décrits à nouveau. Seules les différences sont mises en évidence. Dans le deuxième mode de réalisation, au lieu d'une seule antenne élémentaire 12, la structure antennaire 10 comporte une pluralité d'antennes élémentaires 12. Chaque antenne élémentaire 12 des figures 6 et 7 est identique à l'antenne élémentaire 12 décrite en référence à la figure 1. En variante, certaines antennes sont différentes. La structure antennaire 10 comprend au moins deux ensembles d'une pluralité d'antennes élémentaires 12. Selon l'exemple de la figure 6, la structure antennaire 10 comprend quatre ensembles 30, 32, 34, 36 de pluralité d'antennes élémentaires 12. Les antennes élémentaires 12 de chaque ensemble 30, 32, 34, 36 sont agencées le long d'un cercle de rayon propre de cet ensemble 30, 32, 34, 36, tous lesdits cercles 30, 32, 34, 36 étant concentriques. Ainsi, dans le cas de la figure 6, le premier ensemble 30 comprend six antennes élémentaires 12 agencées le long d'un premier cercle présentant un premier rayon R1 ; le deuxième ensemble 32 comprend quatorze antennes élémentaires 12 agencées le long d'un deuxième cercle présentant un deuxième rayon R2 ; le troisième ensemble 34 comprend vingt antennes élémentaires 12 agencées le long du troisième cercle présentant un troisième rayon R3 et le quatrième ensemble 36 comporte vingt-six antennes élémentaires 12 agencées le long du quatrième cercle présentant un quatrième rayon R4. Les quatre rayons R1, R2, R3, R4 sont tels que le premier rayon R1 est inférieur au deuxième rayon R2, que le deuxième rayon R2 est inférieur au troisième rayon R3, que le troisième rayon R3 est inférieur au quatrième rayon R4. Les antennes élémentaires 12 sont pourvues d'éléments d'insertion du champ électrique. Selon l'exemple représenté, les éléments d'insertion du champ électrique sont en forme de tiges métalliques. Cela signifie que les antennes élémentaires 12 sont dépourvues d'une boucle d'insertion du champ magnétique. La structure antennaire 10 comporte, en outre, un boîtier 22 cylindrique dont la surface de base est la surface d'émission-réception 22. Les tiges alimentant les antennes élémentaires 12 peuvent être ou non en contact avec le boîtier 22. Dans le cas où il n'y aurait pas de contact, un dispositif isolant est inséré entre la tige et le boîtier 22 qui permet de maintenir la rectitude de la tige et incidemment de l'antenne élémentaire 12. Le boîtier 22 délimite une cavité d'alimentation des antennes élémentaires 12 en ondes électromagnétiques agencée en contact avec la surface d'émission-réception 14. Le radôme 16 présente une forme cylindrique dont la base est la surface d'émission-réception 14. Le radôme 16 présente un diamètre inférieur à 350 mm et une hauteur inférieure à 30 mm. Le fonctionnement de la structure antennaire 10 selon le deuxième mode de réalisation est similaire au fonctionnement de la structure antennaire 10 selon le premier mode de réalisation. Il apparaît sur la figure 8 que la structure antennaire 10 présente un gain de l'ordre de 28 dB. Dans le cas du mode de réalisation avec une cavité radiale pour l'alimentation (surface d'émission-réception 14 en format circulaire), la réalisation de la structure antennaire 10 est simplifiée puisque la cavité d'alimentation est peu complexe. En outre, la structure antennaire 10 présente une large bande, supérieure à 10% autour de la fréquence centrale de fonctionnement et une très bonne efficacité de rayonnement (meilleure que 70%) avec des pertes faibles. L'optimisation de la structure antennaire 10 pour améliorer la réduction des lobes secondaires est également facile à mettre en oeuvre puisque ceux-ci dépendent uniquement de la position et de l'orientation des antennes élémentaires 12. La taille de la structure antennaire 10 est réduite, notamment dans la direction Z. Il en résulte une meilleure compacité de la structure antennaire 10. Le gain de la structure antennaire 10 est aisément contrôlable puisque l'augmentation du nombre d'antennes élémentaires 12 entraîne une augmentation du gain de la structure antennaire 10. La structure antennaire 10 présente une masse plus faible que la parabole d'une structure antennaire 10 parabolique dont la source est déportée, notamment si la matière est du plastique métallisé. De plus, dans le cas où la structure antennaire 10 est réalisée en plastique métallisé, ceci peut conduire à des baisses du coût de fabrication de la structure antennaire 10. Les figures 9 et 10 illustrent un troisième mode de réalisation de la structure antennaire 10. Les éléments identiques au premier mode de réalisation de la figure 1 ne sont pas décrits à nouveau. Seules les différences sont mises en évidence. Dans le troisième mode de réalisation, au lieu d'une seule antenne élémentaire 12, la structure antennaire 10 comporte une pluralité d'antennes élémentaires 12. Chaque antenne élémentaire 12 de la figure 9 est identique à l'antenne élémentaire 12 décrite en référence à la figure 1. En variante, certaines antennes sont différentes. La structure antennaire 10 comprend au moins deux ensembles d'une pluralité d'antennes élémentaires 12. Selon l'exemple de la figure 9, la structure antennaire 10 comprend douze ensembles 50 de pluralité d'antennes élémentaires 12. En outre, chaque ensemble 50 comprend douze antennes élémentaires 12 alimentées en mode propagatif dans un guide linéaire. Les antennes élémentaires 12 de chaque ensemble 50 sont le long d'une ligne propre de cet ensemble 50. Chaque ligne propre est parallèle aux autres lignes propres. Il apparaît sur la figure 11 qu'un ensemble 50 présente un gain de l'ordre de 23 dB. La structure antennaire 10 comprend une pluralité de sources élémentaires 52. Le nombre de sources élémentaires 52 est identique au nombre d'ensembles 50 que comprend la structure antennaire 10. En l'occurrence, la structure antennaire 10 comporte douze sources élémentaires 52. Chaque antenne élémentaire 12 est alimentée par une source d'alimentation 52 respective. Le radôme 16 présente une forme parallélépipédique dont la base est la surface d'émission-réception 14. Dans le cas de la bande X, le radôme 16 présente une longueur inférieure à 300 mm et une largeur inférieure à 200 mm. Le fonctionnement de la structure antennaire 10 selon le troisième mode de réalisation est similaire au fonctionnement de la structure antennaire 10 selon le premier mode de réalisation. Dans le cas du mode de réalisation avec un guide en mode propagatif pour l'alimentation (surface d'émission-réception 14 en format planaire), les pertes sont diminuées, notamment dans le cadre d'une utilisation de type antenne à balayage. En outre, l'antenne élémentaire 12 étant compacte, les possibilités de pointage d'un axe précis sont augmentées. La réalisation de la structure antennaire 10 est également simplifiée. Ainsi, dans tous les modes de réalisations, du fait que l'antenne élémentaire 12 est large bande, de polarisation circulaire et présente une bonne efficacité de rayonnement, la structure antennaire 10 présente un encombrement réduit par rapport aux structures antennaires de l'état de la technique pour des performances en terme de rayonnement identiques. La structure antennaire 10 est capable d'émettre une émission polarisée circulaire sans utilisation d'un polariseur additionnel. Cette meilleure compacité s'accompagne d'un gain en légèreté et d'un gain en performance de rayonnement (large bande) par rapport à une parabole de petite taille (diamètre inférieur à 40 cm pour un fonctionnement en bande X). En outre, la structure antennaire 10 est de réalisation aisée et peut être fabriquée à bas coût. Ainsi, la structure antennaire 10 proposée est utilisable en substitution d'une antenne parabolique de petite dimension et/ou d'une antenne à balayage pour des applications de télécommunications entre deux stations, notamment par satellite. Il est à noter que dans ce cas, le diagramme de rayonnement de la structure antennaire 10 ainsi réalisée est conforme aux gabarits spécifiés pour être utilisé avec certains satellites. Une telle structure antennaire 10 est avantageusement utilisable dans une plateforme, notamment aérienne de type hélicoptère. Dans le cadre de cette utilisation, la compacité de la structure antennaire 10 permet de réduire les contraintes sur les implantations d'équipements dans la plateforme. REVENDICATIONS1.- Structure antennaire (10) pour télécommunications, notamment par satellite, caractérisée en ce que la structure antennaire (10) comprend au moins une antenne élémentaire (12) présentant une forme hélicoïdale et dimensionnée pour émettre et/ou recevoir au moins une onde électromagnétique présentant une fréquence supérieure à 4 GHz, de préférence comprise entre 4 GHz et 50 GHz, notamment comprise dans, une bande de spectre choisie parmi la bande X et la bande Ku. 2.- Structure antennaire selon la revendication 1 comportant une surface d'émission-réception (14) de forme générale circulaire, chaque antenne élémentaire (12) s'étendant entre une première extrémité (18) adjacente à la surface d'émission-réception (14) et une deuxième extrémité (20) distante de la surface d'émission-réception (14). 3.- Structure antennaire selon la revendication 2, comprenant au moins deux ensembles d'une pluralité d'antennes élémentaires (12), les antennes élémentaires (12) de chaque ensemble (30, 32, 34, 36) étant agencées le long d'un cercle de rayon propre (R1, R2, R3, R4) de cet ensemble (30, 32, 34, 36), tous lesdits cercles étant concentriques. 4.- Structure antennaire selon la revendication 2 ou 3, comportant, en outre, un boîtier (22) cylindrique dont la surface de base est la surface d'émission-réception (14) délimitant une cavité d'alimentation des antennes élémentaires (12) en ondes électromagnétiques agencée en contact avec la surface d'émission-réception (14). 5.- Structure antennaire selon la revendication 4, dans laquelle les antennes élémentaires (12) sont dépourvues d'une boucle d'insertion du champ magnétique et comprennent en outre un élément d'insertion du champ électrique, l'élément d'insertion étant notamment une tige métallique. 6.- Structure antennaire selon la revendication 5, dans laquelle l'élément d'insertion est une tige métallique et les antennes élémentaires (12) comprennent en outre un dispositif isolant de nature diélectrique inséré entre la tige et le boîtier (22). 30 35 7.- Structure antennaire selon la revendication 1, comportant une surface d'émission-réception (14) de forme générale rectangulaire, chaque antenne élémentaire (12) s'étendant entre une première extrémité (18) adjacente à la surface et une deuxième extrémité (20) distante de la surface d'émission-réception (14). 8.- Structure antennaire selon la revendication 7, comprenant des sources d'alimentation (52) et au moins deux ensembles (50) d'une pluralité d'antennes élémentaires (12), les antennes élémentaires (12) de chaque ensemble (50) étant le long d'une ligne propre de cet ensemble (50), chaque ligne étant parallèle aux autres lignes propres et étant alimentée par une source d'alimentation (52) respective. 9.- Plateforme, notamment aérienne, comprenant au moins une structure antennaire (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10.- Procédé de télécommunication, notamment par satellite, entre deux stations comprenant une étape d'émission ou de réception d'ondes électromagnétiques présentant une fréquence supérieure à 4 GHz, de préférence entre 4 GHz et 50 GHz, notamment comprise dans une bande de spectre choisie parmi la bande X et la bande Ku, par une structure antennaire (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.20