Brevet FR3082059A1 — publié le 20191206

I Antenne électromagnétique adaptée à fonctionner dans une bande de fréquence La présente invention concerne une antenne électromagnétique adaptée à fonctionner dans bande de fréquence donnée. L'invention se situe dans le domaine des communications radiofréquences ou hyperfréquences, et trouve une application particulière dans le domaine des communications embarquées sur un navire. De manière connue, une antenne est un transducteur électrique-électromagnétique, dont les performances sont calculées théoriquement en fonction de ses caractéristiques physiques, en utilisant les équations de Maxwell. Une antenne comprend notamment un ou des éléments rayonnants, qui sont classiquement des conducteurs solides, en métal ou un autre conducteur. Les caractéristiques de fonctionnement d'antenne sont étudiées en phase de conception et incluent notamment une bande de fréquence de fonctionnement, un gain d'antenne et un diagramme d'antenne. En général, un compromis doit être trouvé entre l'adaptation en fréquence et le rayonnement. Par exemple, on connaît des antennes adaptées à fonctionner dans une large bande de fréquences et ayant un rayonnement isotrope ou directif. De telles antennes ont en général un faible gain d'antenne. On connaît également des antennes adaptées à fonctionner dans une bande de fréquence étroite autour d'une fréquence de résonance, dont le gain est choisi maximal, avec un diagramme de rayonnement prédéterminé. Dans les antennes traditionnelles, une fois la structure d'antenne choisie, les caractéristiques de fonctionnement d'antenne sont figées et les performances d'antenne en découlent. L'invention concerne en particulier les antennes adaptées à fonctionner dans les domaines de fréquence utilisés dans les communications, qui sont le domaine VHF (pour « Very High Frequency » en anglais), le domaine UHF (pour « Ultra High Frequency » en anglais) allant typiquement de 30 MHz à 3 GHz. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'état de la technique, en proposant des antennes électromagnétiques adaptées à fonctionner dans une bande de fréquence donnée, et dont au moins une caractéristique de fonctionnement soit configurable. A cet effet, l'invention propose une antenne électromagnétique adaptée à fonctionner dans une bande de fréquence, comportant au moins un élément rayonnant conducteur. Dans cette antenne, l'élément rayonnant est à base de ferrofluide 2 conducteur, ledit ferrofluide comportant des suspensions colloïdales de nanoparticules ferromagnétiques dans un solvant ionique. Avantageusement, l'utilisation d'un élément rayonnant comportant un ferrofluide comportant des suspensions colloïdales de nanoparticules ferromagnétiques permet de 5 réaliser une antenne à géométrie variable sans modifier le ou les éléments rayonnants. En effet, un tel ferrofluide a des propriétés de conduction électrique et comporte une charge magnétique, ce qui permet de déplacer spatialement le ferrofluide en fonction d'un champ magnétique appliqué. L'antenne électromagnétique selon l'invention peut également présenter une ou 10 plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou selon toutes combinaisons techniquement acceptables. L'antenne comporte en outre au moins un aimant adapté à être placé à une distance donnée dudit élément rayonnant et à une position spatiale donnée pour former un champ magnétique agissant ledit ferrofluide conducteur, ledit champ magnétique 15 permettant de configurer spatialement ledit ferrofluide conducteur et de modifier au moins une caractéristique de fonctionnement de l'antenne. La distance et la position spatiale sont obtenues en fonction de ladite au moins une caractéristique de fonctionnement d'antenne choisie. Selon une variante, l'antenne comporte deux contenants de ferrofluide conducteur, 20 alignés selon une direction prédéterminée, chaque contenant comportant une connexion à un générateur électrique, et deux aimants de même taille placés en vis-à-vis selon ladite direction prédéterminée, formant un dipôle élémentaire. Selon une variante, l'antenne comporte une dalle d'électroaimants adaptée à être positionnée en vis-à-vis du ou des éléments rayonnants, lesdits électroaimants étant 25 activables ou désactivables individuellement par un circuit d'asservissement de manière à modifier au moins une caractéristiques de fonctionnement d'antenne. La caractéristique de fonctionnement comprend une bande de fréquence de fonctionnement, un angle et/ou une direction de rayonnement, un diagramme de rayonnement, un gain d'antenne. 30 Selon une variante, l'antenne comporte une pluralité desdits éléments rayonnants agencés spatialement selon une topologie prédéterminée. Les nanoparticules ferromagnétiques sont obtenues à partir d'un oxyde de fer. L'oxyde de fer est une magnétite ou une maghémite. Selon un autre aspect, l'invention concerne un porteur ou une plateforme 35 comportant au moins une paroi dans laquelle est insérée au moins une antenne telle que brièvement décrite ci-dessus. 3 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'une antenne élémentaire selon 5 un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 illustre schématiquement des modes de réalisation d'antennes réseau selon l'invention ; - la figure 3 illustre schématiquement une première variante de forme d'élément rayonnant selon un mode de réalisation de l'invention ; 10 - la figure 4 illustre schématiquement une deuxième variante de forme selon un mode de réalisation de l'invention ; -la figure 5 illustre schématiquement un deuxième mode de réalisation d'une antenne selon l'invention comprenant un pavé d'électroaimants. 15 La figure 1 illustre schématiquement une antenne élémentaire 2 selon un mode de réalisation de l'invention et permet d'expliciter le principe de fonctionnement d'une telle antenne. L'antenne électromagnétique 2 représentée schématiquement dans la figure 1 est un dipôle qui réalise une fonction de transducteur électrique-électromagnétique. 20 L'antenne 2 comporte un élément rayonnant 4, formé dans l'exemple illustré de deux contenants 6 et 8 remplis d'un liquide ferrofluidique conducteur, également appelé ferrofluide conducteur. Chaque contenant 6, 8 est adapté à être connecté électriquement à un générateur 10 qui fournit un signal électrique adapté à être transformé en signal radiofréquence émis. 25 L'antenne 2 comporte également deux aimants 12, 14, positionnés en vis-à-vis dans l'exemple illustré, et de manière symétrique par rapport aux contenants 6, 8 de ferrofluide. La forme des contenants 6, 8 est variable, et choisie en fonction d'une application visée. 30 Par exemple, selon une variante, un contenant 6, 8 est tubulaire, et selon une autre variante le ou chaque contenant a une forme de plaque de dimensions choisies en fonction de l'application. Les contenants ont une forme quelconque à l'intérieur de laquelle le ferrofluide se positionne selon des formes géométriques déterminées par le ou les aimants. 35 Selon une variante illustrée schématiquement à la figure 3, les ferrofluides des contenants 6', 8' prennent, sous l'action des aimants, une forme de coupe triangulaire, par 4 exemple des triangles isocèles placés en opposition, c'est-à-dire dont les sommets réunissant les côtés égaux sont placés en vis-à-vis. Selon une autre variante illustrée schématiquement à la figure 4, l'antenne comporte deux éléments rayonnants, placés selon une grille régulière, comprenant quatre 5 contenants références 6a, 6b, 6c, 6d. Dans ce cas de figure, l'antenne comporte quatre connexions d'entrée. De préférence, chaque contenant est fabriqué en verre. Il est entendu que cet exemple n'est pas limitatif, d'autres matériaux étant utilisables. Chaque aimant est placé à une distance d donné du contenant correspondant, la 10 distance d étant calculée pour obtenir une caractéristique de fonctionnement d'antenne donnée. En effet, les aimants 12, 14 forment un champ magnétique H, des lignes de ces champs magnétiques étant schématiquement illustrées dans l'exemple par des traits en pointillés. 15 Le matériau ferrofluide utilisé pour former l'élément rayonnant d'antenne à la propriété de se déformer en fonction de la direction des lignes de champ du champ magnétique appliqué. De préférence, les aimants 12, 14 sont choisis pour générer un champ magnétique quasi stationnaire à l'échelle du signal à transmettre. 20 En présence des aimants 12, 14, l'excitation de l'antenne 2 par un signal électrique de fréquence donnée, fourni par le générateur 10, permet de générer un champ électrique E, représenté schématiquement dans la figure 1. Ainsi, l'antenne 2 fonctionne en tant qu'antenne électromagnétique VHF ou UHF selon la fréquence choisie. 25 Dans le ferrofluide, le champ magnétique et le champ électrique sont sensiblement colinéaires et par conséquent ont une faible interaction. A l'extérieur du ferrofluide, les champs magnétique et électrique sont couplés, leur interaction définissant une direction de pointage de l'antenne. Ainsi, la direction de pointage de l'antenne dépend en particulier de la forme du champ magnétique appliqué. 30 Le positionnement du ou des aimants permet de contrôler la forme et l'intensité du champ magnétique appliqué, et donc la direction de pointage de l'antenne ainsi que d'autres caractéristiques de fonctionnement de l'antenne, qui sont donc configurables. Par exemple, dans le mode de réalisation illustré à la figure 1, on obtient une antenne directive adapté à émettre ou recevoir des signaux radiofréquence selon une 35 direction parallèle à l'axe Z représenté. 5 Avantageusement, le ferrofluide utilisé comporte des suspensions colloïdales de nanoparticules ferromagnétiques dans un solvant, qui est de préférence un liquide ionique. Généralement les ferrofluides sont réalisés à base de solvants organiques, donc 5 non polaires (non-conducteurs) dont il existe plusieurs exemples ENIM pour 1-ethy1-3- methylimidazolium, BNIM, etc) dans la littérature. A contrario, les liquides ioniques sont également appelés « sels liquides ». En effet, ce sont des complexes ioniques (binaire, voire tertiaires), tout comme le sel de table NaCI, généralement à l'état liquide à température et pression atmosphérique. La nature 10 purement ionique de ce type de liquide lui confère des propriétés très particulières, comme d'être conducteur pour la réalisation d'un ferrofluide. De préférence, les nanoparticules ferromagnétiques sont des particules d'un oxyde de fer, en particulier de magnétite ou de maghémite. Le taux de charge en nanoparticules ferromagnétiques a un effet sur la viscosité 15 du liquide ferrofluide. De préférence, le taux de charge en nanoparticules est compris entre de 1 à 10%. De préférence, les nanoparticules ferromagnétiques ont des dimensions de l'ordre du nanomètre. Il ressort clairement de la description ci-dessus que l'utilisation d'éléments 20 rayonnants à base de ferrofluide à suspensions colloïdales de nanoparticules ferromagnétiques, en particulier dans un liquide ionique, permet d'obtenir des antennes dont les caractéristiques de fonctionnement sont configurables a posteriori en fonction de la forme et de l'intensité du champ magnétique appliqué. En particulier, le déplacement spatial du ferrofluide sous l'action du champ 25 magnétique permet de modifier la géométrie spatiale de l'antenne, et par conséquent son diagramme de fonctionnement, l'angle et la direction de pointage. Une antenne ainsi obtenue est qualifiée d'antenne à géométrie variable ou agile. On entend ici par géométrie variable une géométrie qui varie en cours d'utilisation. En effet, il est possible de faire varier le champ magnétique appliqué au cours du temps 30 en déplaçant le ou les aimants appliqués, et par conséquent de faire varier au cours du temps le diagramme de fonctionnement, l'angle et la direction de pointage de l'antenne. On entend ici par géométrie agile une géométrie qui est choisie en fonction d'une application de l'antenne, et qui est ensuite figée au cours de l'application. Ainsi, à partir des mêmes éléments rayonnants on obtient, de manière agile, différentes géométries 35 d'antennes grâce à un positionnement fixe des aimants pour une application donnée, mais modifiable entre deux applications. 6 La modification du champ magnétique appliqué est notamment modifiée par le nombre ou la puissance des aimants, et la position spatiale de chacun des aimants par rapport aux contenants de ferrofluide formant l'élément rayonnant de l'antenne. Dans un mode de réalisation, illustré schématiquement à la figure 2, il est prévu 5 d'associer plusieurs antennes élémentaires 2 selon une topologie prédéterminée pour configurer diverses caractéristiques de fonctionnement de l'antenne. Une antenne élémentaire 2 a une fréquence centrale de fonctionnement variable, comprise en dans une bande de fréquence de fonctionnement donnée. On peut associer une pluralité d'antennes élémentaires 2 selon un premier 10 agencement en réseau 20 permettant d'obtenir une antenne réseau fonctionnant en émission à une fréquence F1, ou selon un deuxième agencement en réseau 22, comportant un deuxième réseau d'antennes 24 adapté à fonctionner en émission à la fréquence F1 et une antenne 26 adaptée à fonctionner en réception à une fréquence F2. Les fréquences F1 et F2 sont différentes, choisies en fonction de l'application 15 visée. Selon une variante, les aimants utilisés sont des électroaimants, et les antennes sont contrôlées en fonction de l'activation ou la non-activation de chacun des électroaimants. Bien entendu, de nombreuses variantes en termes d'agencement en réseau et de 20 topologie sont envisageables. La figure 5 illustre schématiquement un deuxième mode de réalisation d'une antenne selon l'invention, dans lequel l'antenne 50 comporte un plan 28 comportant un ou plusieurs éléments rayonnants 40, par exemple agencés en réseau, ayant une forme choisie. Par exemple, les éléments rayonnants 40 ont une forme triangulaire telle que 25 décrite ci-dessus en référence à la figure 3. L'antenne 50 comporte également une source 34 de signal électrique adapté à être transformé en signal radiofréquence émis. L'antenne 50 comporte en outre une dalle ou un pavé 30 d'électroaimants 32, destinée à être placée en vis-à-vis du plan 28 des éléments rayonnants pour une mise en fonctionnement de l'antenne. 30 Par exemple, les électroaimants 32 sont agencés selon une grille régulière, et chaque électroaimant 32 est activable individuellement. Par exemple, les électroaimants 32 sont de même taille et de même puissance. L'antenne 50 comporte également un circuit électrique 36, représenté schématiquement à la figure 5, d'asservissement des électroaimants. 7 Selon le sous-ensemble des électroaimants activés ou non, il est possible de contrôler la géométrie d'antenne, et par conséquent de faire varier le diagramme de fonctionnement, l'angle et la direction de pointage de l'antenne. Ce deuxième mode de réalisation permet d'obtenir une antenne à géométrie agile 5 ou variable. Dans un mode de réalisation particulier avantageux, il est envisagé d'intégrer des antennes élémentaires 2 telles que décrites ci-dessus dans une paroi d'une plateforme, par exemple un navire, afin de réaliser une fonctionnalité d'antenne de communication intégrée directement à la plateforme. 10 Bien entendu, l'application de l'invention ne se limite pas aux navires, et s'applique plus généralement dans d'autres systèmes de communication embarqués à bord de plateformes mobiles ou non. En particulier, l'invention s'applique pour des plateformes mobiles (véhicules) mais également des plateformes fixes. Avantageusement, pour un navire, la fonction de communication est intégrée 15 directement dans une paroi, ce qui réduit l'encombrement dû aux antennes traditionnelles portées par des mâts ou des vergues. Avantageusement, l'invention permet de réaliser des antennes dont les caractéristiques de fonctionnement, incluant la bande de fréquence de fonctionnement, le gain d'antenne, angle/direction de pointage, diagramme de rayonnement, sont ajustables 20 en fonction d'un champ magnétique appliqué sur l'élément REVENDICATIONS1.- Antenne électromagnétique adaptée à fonctionner dans une bande de fréquence, comportant au moins un élément rayonnant conducteur, caractérisée en ce que ledit élément rayonnant (4, 40) est à base de ferrofluide conducteur, ledit ferrofluide conducteur comportant des suspensions colloïdales de nanoparticules ferromagnétiques dans un solvant ionique. 2.- Antenne selon la revendication 1, comportant en outre au moins un aimant (12, 14, 32) adapté à être placé à une distance donnée dudit élément rayonnant et à une position spatiale donnée pour former un champ magnétique (H) agissant ledit ferrofluide conducteur, ledit champ magnétique permettant de configurer spatialement ledit ferrofluide conducteur et de modifier au moins une caractéristique de fonctionnement de l'antenne. 3.- Antenne selon la revendication 2, dans laquelle ladite distance et ladite position spatiale sont obtenues en fonction de ladite au moins une caractéristique de fonctionnement d'antenne choisie. 4.- Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, comportant deux contenants (6, 8) de ferrofluide conducteur, alignés selon une direction prédéterminée, chaque contenant comportant une connexion à un générateur électrique (10), et deux aimants (12, 14) de même taille placés en vis-à-vis selon ladite direction prédéterminée, formant un dipôle élémentaire. 5.- Antenne selon la revendication 1, comportant une dalle (30) d'électroaimants (32) adaptée à être positionnée en vis-à-vis du ou des éléments rayonnants (40), lesdits électroaimants (32) étant activables ou désactivables individuellement par un circuit d'asservissement (36) de manière à modifier au moins une caractéristique de fonctionnement d'antenne. 6.- Antenne selon l'une des revendications 2 à 5, dans laquelle ladite caractéristique de fonctionnement comprend une bande de fréquence de fonctionnement, un angle et/ou une direction de rayonnement, un diagramme de rayonnement, un gain d'antenne. 9 7.- Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, comportant une pluralité desdits éléments rayonnants agencés spatialement selon une topologie prédéterminée. 8.- Antenne selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle les nanoparticules 5 ferromagnétiques sont obtenues à partir d'un oxyde de fer. 9.- Antenne selon la revendication 8, dans laquelle ledit oxyde de fer est une magnétite ou une maghémite. 10 10.- Plateforme comportant au moins une paroi dans laquelle est insérée au moins une antenne selon l'une des revendications 1 à 9. 15