Brevet FR3091957A1 — publié le 20200724

Description Titre de l'invention : Antenne Arrière-plan [0001] La présente invention concerne une antenne. [0002] Pour qu'une antenne puisse être montée sur un objet volant tel qu'une fusée ou un aéronef, il faut que les ondes radio soient uniformément rayonnées sur une longue portée et que l'antenne résiste à une charge aérodynamique et à un échauffement aérodynamique qui se produisent en vol. Dans l'état actuel des choses, une antenne à profil laminaire, une antenne unipolaire, ou une antenne planaire est principalement utilisée comme antenne à monter sur une fusée ou analogues (voir la demande de brevet japonais déposée et ouverte n° 2003-60426). Résumé [0003] Cependant, ces antennes présentent les problématiques suivantes. - Un faisceau d'antenne a des points nuls (creux). Dans le cas de l'antenne à profil laminaire et de l'antenne unipolaire, les diagrammes d'antenne de polarisation linéaire et de polarisation circulaire ont des points nuls. Dans le cas de l'antenne planaire, le diagramme d'antenne de polarisation circulaire a des points nuls. - L'antenne planaire est incapable de rayonner des ondes radio sur une longue portée parce que la polarisation linéaire de l'antenne planaire n'est pas rayonnée dans une direction de la surface de montage de l'antenne. - Le corps de l'objet volant fonctionne comme un élément d'antenne parce que l'antenne à profil laminaire, l'antenne unipolaire, et l'antenne planaire sont toutes des antennes de type déséquilibré. Le diagramme d'antenne peut donc être affecté par la forme du corps et par une partie de montage d'antenne, et le diagramme d'antenne peut considérablement différer du diagramme de l'antenne elle-même. - L'antenne à profil laminaire, l'antenne unipolaire, et l'antenne planaire ont une/des partie(s) qui dépassent de la surface du corps de l'objet volant. Il est donc nécessaire de prévoir une structure rigide pour supporter une charge et un échauffement aérodynamiques, ou une structure supplémentaire pour protéger l'antenne. Dans ce cas, le diagramme d'antenne peut être affecté par ces structures et le diagramme d'antenne peut considérablement différer du diagramme de l'antenne elle-même. - Un objet volant tel qu'une fusée se voit imposer des restrictions opérationnelles de changement d'attitude d'un véhicule en vol et de trajectoire de vol en raison des caractéristiques de diagramme d'une antenne montée sur l'objet volant. [0004] Compte tenu des circonstances susmentionnées, un ou plusieurs aspects de la présente invention visent à fournir une antenne à gain élevé ayant des caractéristiques de diagramme uniformément stables sur une longue portée. 2 [0005] Un ou plusieurs aspects de la présente invention visent également à fournir une antenne qui élimine les restrictions opérationnelles d'un objet volant en raison des caractéristiques de diagramme d'antenne, dans le cas où l'antenne est montée sur l'objet volant. [0006] Un ou plusieurs aspects de la présente invention visent également à atténuer suf- fisamment la charge et l'échauffement aérodynamiques qui ont lieu sur l'antenne, dans le cas où l'antenne est montée sur l'objet volant. [0007] L'antenne selon la présente invention emploie une forme d'antenne parabolique. Les antennes paraboliques sont largement utilisées pour des applications comportant une antenne pour recevoir une radiodiffusion par satellite, une antenne de communication fixe au sol, une antenne de station terrestre pour les communications spatiales, une antenne de radioastronomie, et analogues. C'est parce qu'un diagramme d'antenne ayant un gain d'antenne élevé et une directivité nette peut être fourni en réglant le diamètre d'ouverture de l'antenne parabolique pour qu'il soit plus grand que la longueur d'onde. Les dimensions d'un réflecteur parabolique, destiné à être utilisé dans l'antenne pour recevoir une radiodiffusion par satellite, fait généralement 17 fois ou plus la longueur d'onde, par exemple. L'antenne parabolique est généralement utilisée avec le diamètre d'ouverture réglé pour qu'il soit plus grand que la longueur d'onde. [0008] L'antenne selon la présente invention emploie la forme d'antenne parabolique. Il convient de noter que pour utiliser l'antenne selon la présente invention, le diamètre d'ouverture de l'antenne selon la présente invention est réduit pour être inférieur ou égal à un diamètre d'ouverture avec lequel aucun point nul n'est généré dans un diagramme d'antenne dans une demi-sphère où des ondes radio sont rayonnées, contrairement à une utilisation typique de l'antenne parabolique. [0009] Autrement dit, une antenne selon un aspect de la présente invention comporte : un élément rayonnant primaire configuré pour rayonner des ondes radio ; et un réflecteur parabolique configuré pour réfléchir les ondes radio rayonnées par l'élément rayonnant primaire, le réflecteur parabolique ayant un diamètre d'ouverture réduit pour être inférieur ou égal à un diamètre d'ouverture avec lequel aucun point nul n'est généré dans un diagramme d'antenne dans une demi-sphère où les ondes radio sont réfléchies et rayonnées. [0010] Tout type d'élément d'antenne peut être employé comme élément rayonnant primaire. L'élément rayonnant primaire est disposé favorablement dans une région à l'intérieur d'un plan d'ouverture du réflecteur parabolique, plus précisément, sur le plan d'ouverture ou à l'intérieur du plan d'ouverture. [0011] La région à l'intérieur du plan d'ouverture peut être remplie d'un matériau di- électrique. Il faut noter que le matériau diélectrique peut avoir une partie de cavité. En 3 outre, l'élément rayonnant primaire peut être disposé dans le matériau diélectrique. [0012] L'antenne peut être configurée pour être intégrée dans une cavité sur une surface d'un objet de montage sur lequel l'antenne (10) est montée, ou à l'intérieur de l'objet de montage. [0013] L'antenne selon l'aspect de la présente invention a les caractéristiques suivantes. - Le faisceau d'antenne devient large et des ondes radio sont rayonnées sur une longue portée. Les ondes radio sont également rayonnées vers le bas à partir de la surface de montage d'antenne. - Aucun point nul et aucun creux n'est généré dans une demi-sphère au-dessus de la surface de montage d'antenne. - Aucun lobe latéral n'est généré dans une demi-sphère au-dessus de la surface de montage d'antenne. [0014] En outre, l'antenne selon l'aspect de la présente invention a les caractéristiques suivantes. - Comme il s'agit d'une antenne à réflecteur, le diagramme d'antenne n'est pratiquement pas affecté par la forme de l'objet de montage sur lequel est montée l'antenne et par une partie de montage d'antenne. - L'antenne peut être montée sans dépasser de la surface de l'objet de montage en formant un trou ayant la même forme et les mêmes dimensions que le réflecteur parabolique dans une surface de l'objet de montage ou à l'intérieur de l'objet de montage. Avec cette configuration, la charge et l'échauffement aérodynamiques sur un objet volant, tel qu'une fusée et un aéronef, sont suffisamment atténués, par exemple. En raison du petit diamètre d'ouverture de l'antenne selon la présente invention, l'influence de la formation du trou sur l'objet volant est négligeable. En outre, dans le cas où l'antenne selon l'aspect de la présente invention est montée à l'intérieur ou à l'extérieur d'un appareil électronique ayant une fonction de communication sans fil, tel qu'un ordinateur personnel (PC), ou d'un bâtiment, l'antenne peut être montée sans dépasser de la surface en formant un trou ayant la même forme et les mêmes dimensions que le réflecteur parabolique dans un substrat de composants électroniques, sur une paroi extérieure, sur une paroi intérieure, sur une surface de plafond du bâtiment, ou à l'intérieur de l'objet de montage, par exemple. En outre, l'encombrement peut également être réduit en raison du diamètre d'ouverture réduit. L'épaisseur et le poids peuvent ainsi être réduits en comparaison avec les antennes bâton et analogues dans l'état de l'art. Un gain d'antenne plus élevé peut être obtenu parce que l'antenne parabolique est utilisée comme configuration de base. L'antenne peut être rendue peu remarquable en utilisant les mêmes diagrammes pour une surface avant de l'antenne que le mur ou le plafond du bâtiment. [0015] Conformément à l'antenne selon la présente invention, l'antenne a les caracté- ristiques d'un diagramme uniformément stable sur une longue portée, et le gain est augmenté en comparaison avec une antenne montée sur un objet volant dans l'état actuel des choses. [0016] En outre, dans le cas où l'antenne selon la présente invention est montée sur un objet volant, le montage de l'antenne sur l'objet volant n'est pas soumis à des restrictions opérationnelles ducs aux caractéristiques de diagramme de l'antenne. [0017] En outre, dans le cas où l'antenne selon l'aspect de la présente invention est montée sur un objet volant, la charge et l'échauffement aérodynamiques qui se produisent sur l'antenne sont suffisamment atténués. [0018] De plus, l'antenne selon l'aspect de la présente invention est réduite en épaisseur et en poids et ne se remarque pas, en comparaison avec les antennes dans l'état de l'art. Brève description des dessins [0019] [fig.1] La Fig. 1 est une vue en perspective montrant une configuration d'une antenne selon un mode dc réalisation de la présente invention ; [0020] W8.21 La Fig. 2 est une vue en coupe transversale prise le long de la ligne A-A de la Fig. 1 ; [0021] [fig.31 La Fig. 3 est une vue en perspective schématique d'un corps de fusée factice sur lequel est montée Pantenne selon le mode de réalisation ; [0022] [fig.4] La Fig. 4 représente un diagramme d'antenne (polarisation à droite) obtenu par l'analyse sous forme de modèles sphériques entiers tridimensionnels, dans le cas où l'antenne selon la présente invention montrée dans la Fig. 3 est montée sur le corps de fusée factice ; [0023] [fig.51 La Fig. 5 est un schéma de principe montrant les directions de ligne de visée indiquées comme (1) à (5) de de la Fig. 4 et des Fig. 6 à 8 ; [0024] [fig.61 La Fig. 6 représente un diagramme d'antenne (polarisation à droite) obtenu par l'analyse sous forme de modèles sphériques entiers tridimensionnels, dans le cas où une antenne à profil laminaire est montée sur le corps de fusée factice à titre d'exemple comparatif ; [0025] [fig.7] La Fig. 7 représente un diagramme d'antenne (polarisation à droite) obtenu par l'analyse sous forme de modèles sphériques entiers tridimensionnels, dans le cas où une antenne planaire est montée sur le corps de fusée factice à titre d'exemple comparatif ; [0026] [fig.8] La Fig. 8 représente un diagramme d'antenne (polarisation à droite) obtenu par l'analyse sous forme de modèles sphériques entiers tridimensionnels, dans le cas où une antenne unipolaire est montée sur le corps de fusée factice à titre d'exemple comparatif ; et [0027] [fig.9] La Fig. 9 est une vue en coupe transversale d'un substrat monté sur un appareil électronique selon un autre mode de réalisation de la présente invention. Description détaillée des Modes de réalisation 100281 Ci-après, les modes de réalisation de la présente invention seront décrits en référence aux dessins. 100291 La Fie. 1 est une vue en perspective montrant une configuration d'une antenne selon un mode de réalisation de la présente invention. [0030] La Fig. 2 est une vue en coupe transversale prise le long de la ligne A-A de la Fig. 1. [0031] Comme le montrent les Fig. 1 et 2, une antenne 10 comporte un élément rayonnant primaire 11 et un réflecteur parabolique 12. Le réflecteur parabolique 12 est rempli d'un matériau diélectrique 13. Un câble d'alimentation 14 est connecté à l'élément rayonnant primaire 11. [0032] L'élément rayonnant primaire 11 est un élément d'antenne configure pour rayonner des ondes radio. N'importe quel élément d'antenne peut être utilisé comme élément rayonnant primaire 11 tant que l'élément d'antenne a une impédance prédéterminée. Un exemple d'utilisation d'une antenne dipôle croisée est montré dans cc mode dc réalisation. Alternativement, une antenne dipôle, une antenne cornet, ou analogues peuvent être utilisées. [0033] Le réflecteur parabolique 12 est formé comme un paraboloïde de révolution réalisé en un matériau électriquement conducteur, ayant un diamètre D de l'ouverture (diamètre d'ouverture) et une distance focale f. L'élément rayonnant primaire 11 est positionné en un point focal du réflecteur parabolique 12. En outre, le réflecteur parabolique 12 a un diamètre d'ouverture D réduit pour être inférieur ou égal à un diamètre d'ouverture avec lequel aucun point nul n'est généré dans un diagramme d'antenne en demi-sphère où les ondes radio rayonnées par l'élément rayonnant primaire 11 sont réfléchies par le réflecteur parabolique 12. Dans cc cas, le diamètre d'ouverture D et les dimensions de l'élément rayonnant primaire 11 peuvent être réduits dans une plage permettant à l'antenne de fonctionner. La plage permettant à l'antenne de fonctionner signifie une plage permettant à l'élément rayonnant primaire 11 d'obtenir une impédance prédéterminée. En d'autres termes, la plage permettant à l'antenne de fonctionner signifie une plage dans laquelle le rapport d'onde stationnaire (ROS) de tension de l'élément rayonnant primaire 11 est inférieur ou égal à une valeur prévue par un système utilisant l'antenne. Comme aucun point nul n'est généré par l'antenne 10 selon ce mode de réalisation, les lobes latéraux ne sont pas non plus générés de manière évidente. Autrement dit, que l'antenne 10 selon ce mode de réalisation est capable de rayonner uniformément les ondes radio dans la demi-sphère où des ondes radio sont rayonnées. [0034] Le matériau diélectrique 13 remplit une région allant d'un plan d'ouverture du ré- flecteur parabolique 12 à une surface intérieure 123 du réflecteur parabolique 12. 6 L'élément rayonnant primaire 11 est disposé dans le matériau diélectrique 13. Par exemple, l'élément rayonnant primaire 11 est disposé à la position du plan d'ouverture ou à une position à l'intérieur de cette position. Le câble d'alimentation 14 est un câble permettant d'alimenter l'élément rayonnant primaire 11. Les Fig. 1 et 2 montrent un exemple dans lequel câble d'alimentation 14 est câblé de la surface la plus en bas du réflecteur parabolique 12 à l'élément rayonnant primaire 11. Alternativement, la manière de câbler le câble d'alimentation 14 n'est pas limitée, tant qu'il est câblé à l'intérieur du plan d'ouverture du réflecteur parabolique 12. [0035] Avec cette configuration, le matériau diélectrique 13 a pour fonction de retenir l'élément rayonnant primaire 11 et le câble d'alimentation 14 à des positions prédéterminées. Le matériau diélectrique 13 a également pour fonction de protéger l'élément rayonnant primaire 11 et le câble d'alimentation 14 contre la charge aérodynamique et l'échauffement aérodynamique qui ont lieu en vol d'une fusée ou analogues, et rend possible une réduction supplémentaire de la taille de l'antenne 10, en raison de l'effet de raccourcissement de longueur d'onde du matériau diélectrique. Il faut noter que le matériau diélectrique 13 peut avoir une partie de cavité (non montrée). Avec cette configuration, une réduction du poids de l'antenne 10 est possible. [0036] La Fig. 3 montre un corps de fusée factice utilisé pour analyser un diagramme d'antenne de l'antenne 10 selon ce mode de réalisation dans le cas où l'antenne 10 est montée sur un objet volant, [0037] Le corps de fusée factice était un cylindre métallique ayant un diamètre d et une hauteur h. L'antenne 10 selon ce mode de réalisation était montée au centre de la surface cylindrique. [0038] Un résultat de l'analyse dans ce cas est montré dans la Fig. 4. [0039] Ici, l'antenne 10 a été réglée pour avoir une fréquence de 2,3 GHz. L'élément rayonnant primaire 11 et le réflecteur parabolique 12 ont été réalisés en cuivre. Le réflecteur parabolique 12 a été rempli de Téflon (marque déposée) comme matériau diélectrique 13. L'antenne 10 a été réglée pour avoir D = 88 mm et f = 21 mm En outre, dans la Fig. 3, le corps de fusée factice a été réalisé en cuivre. Le corps de fusée factice a été réglé pour avoir d = 2500 mm et h = 2000 mm. Un trou 124 ayant la même forme et les mêmes dimensions que le réflecteur parabolique a été formé à une position p = 1000 mm du corps de fusée factice. L'antenne 10 a été montée à l'intérieur du corps de fusée factice. La Fig. 4 montre un diagramme d'antenne de polarisation à droite obtenu par l'analyse. [0040] La figure représente des modèles sphériques entiers tridimensionnels dans lesquels le gain absolu d'antenne est de -30 dBi à 10 dBi, en utilisant la gradation de l'échelle des gris et les longueurs radiales. [0041] Dans la Fig. 4, 7 [0042] -(1) est une représentation vue depuis la direction -Fz (inférieure : direction +x, droite : direction +y), [0043] -(2) est une représentation vue depuis la direction -y (droite : direction -Fx su- péricure : direction +z), [0044] -(3) est une représentation vue depuis la direction -Fx (droite : direction +y, su- péricure : direction +z), [0045] -(4) est une représentation vue depuis la direction -Fy (gauche : direction +x, su- péricure : direction +z), et [0046] -(5) est une représentation vue depuis la direction -z (supérieure : direction +x, droite : direction +y) (voir la Fig. 5). [0047] Il faut noter que la longueur d'onde est d'environ 130 mm, D est d'environ 0,67 longueur d'onde, et f est d'environ 0,16 longueur d'onde. Comme on peut le voir sur la Fig. 4, le diagramme d'antenne dans l'état où l'antenne, qui est l'antenne 10 selon ce mode de réalisation, est montée sur le corps de fusée factice, est sensiblement isotrope dans la demi-sphère de la direction +x sur laquelle l'antenne 10 est montée. En outre, comme on peut également le voir sur la Fig. 4, il n'y a aucun point nul et aucun lobe latéral dans le diagramme d'antenne et le rayonnement s'effectue vers le bas (direction -x) à partir de la surface de montage de l'antenne 10. [0048] Les Fig. 6 à 8 montrent des exemples comparatifs. [0049] La Fig. 6 représente un diagramme d'antenne (polarisation à droite) obtenu par analyse sous forme de modèles sphériques entiers tridimensionnels dans l'état où une antenne à profil laminaire est montée sur le corps de fusée factice. La Fig. 7 représente un diagramme d'antenne (polarisation à (boite) obtenu par analyse sous forme de modèles sphériques entiers tridimensionnels dans l'état où une antenne planaire est montée sur le corps de fusée factice. La Fig. 8 représente un diagramme d'antenne (polarisation à droite) obtenu par analyse sous forme de modèles sphériques entiers tridimensionnels dans l'état où une antenne unipolaire est montée sur le corps de fusée factice. La représentation et la plage de gain absolu d'antenne des Fig. 6 à 8 sont similaires à celles de la Fig. 4. [0050] Si l'on compare les diagrammes d'antenne selon les exemples comparatifs des Fig. 6 à 8 avec le diagramme d'antenne selon ce mode de réalisation montré dans la Fig. 4, le diagramme d'antenne de l'antenne 10 selon ce mode de réalisation est plus isotrope dans la demi-sphère de direction +x sur lequel l'antenne 10 est montée en comparaison avec les diagrammes d'antenne selon les exemples comparatifs. [0051] Comme décrit ci-dessus, on peut voir que l'antenne 10 selon ce mode de réalisation a un diagramme d'antenne idéal pour l'antenne à monter sur un objet volant. [0052] Dans l'antenne 10 selon ce mode de réalisation, le diamètre d'ouverture D du ré- flecteur parabolique 12 est réglé pour être inférieur ou égal à un diamètre d'ouverture 8 avec lequel aucun point nul n'est généré dans le diagramme d'antenne dans la demi-sphère où des ondes radio réfléchies sont rayonnées. L'inventeur de la présente invention a analysé l'antenne elle-même en faisant varier le diamètre d'ouverture D. L'antenne elle-même se réfère à l'antenne 10 selon cc mode de réalisation disposé dans un espace libre et ne se réfère pas à l'antenne 10 intégrée dans le corps de fusée factice comme le montre la Fig. 4. [0053] Ces résultats ont confirmé que dans le cas où le réflecteur parabolique 12 est rempli de Téflon (marque déposée) comme matériau diélectrique 13, aucun creux n'est généré dans le diagramme d'antenne dans la demi-sphère sur laquelle l'antenne 10 est montée tant que le diamètre d'ouverture D est inférieur ou égal à environ 1,23 longueur d'onde. [0054] En outre, ces résultats ont également confirmé que dans le cas où le réflecteur pa- rabolique 12 n'est pas rempli du matériau diélectrique, aucun creux n'est généré dans le diagramme d'antenne dans la demi-sphère sur laquelle l'antenne 10 est montée tant que le diamètre d'ouverture D est inférieur ou égal à environ 1,7 longueur d'onde. [0055] A partir de ces résultats, l'inventeur de la présente invention peut conclure qu'il suffit de régler le diamètre d'ouverture pour qu'il soit inférieur ou égal à environ 1,7 longueur d'onde dans la présente invention. [0056] La présente invention peut être appliquée à un objet mobile, tel qu'un aéronef, un train, une automobile et un engin sous-marin, à un appareil électronique, tel qu'un terminal portable et un ordinateur personnel (PC), et à un bâtiment ainsi qu'à la fusée. [0057] La figure 9 est une vue en coupe transversale d'un substrat à monter sur un appareil électronique selon un autre mode de réalisation de la présente invention. [0058] Comme le montre la Fig. 9, un trou 92 ayant une forme paraboloïde de révolution est formé dans un substrat 91. Un film mince électriquement conducteur 96 est formé sur une surface du trou 92. Le trou 92 constitue ainsi une partie de réflecteur qui fonctionne comme réflecteur parabolique. [0059] Une région à l'intérieur d'un plan d'ouverture du trou 92 est remplie d'un matériau diélectrique 93. [0060] Un élément rayonnant primaire 94 est généralement disposé sur le plan d'ouverture du trou 92 et est retenu par le matériau diélechique 93. [0061] Le diamètre d'ouverture du trou 92 est réduit pour être inférieur ou égal à un diamètre d'ouverture avec lequel aucun point nul n'est généré dans un diagramme d'antenne dans une demi-sphère où des ondes radio rayonnées par l'élément rayonnant primaire 94 sont réfléchies sur le réflecteur mentionné ci-dessus. Un câble coaxial 95 est retenu par le matériau diélectrique 93 et est connecté à l'élément rayonnant primaire 94. [0062] Dans ce mode de réalisation, le trou 92 avec le film mince électriquement conducteur 9 96 sur lequel est formé le trou 92, le matériau diélectrique 93, et l'élément rayonnant primaire 94 constituent une antenne 90. [0063] Avec un appareil électronique sur lequel une telle antenne 90 est montée, l'antenne 90 peut être montée sans dépasser de la surface du substrat 91. En outre, l'encombrement peut également être réduit en raison du diamètre d'ouverture réduit. L'épaisseur et le poids peuvent ainsi être réduits en comparaison avec les antennes bâton et analogues dans l'état de l'art. Un gain d'antenne plus élevé peut être obtenu parce que l'antenne parabolique est utilisée comme configuration de base. [0064] La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation mentionnés ci- dessus et diverses modifications et applications peuvent être faites sans s'écarter de l'essentiel de l'idée technique de la présente invention, et ces modifications et mises en oeuvre en tant qu'applications entrent dans la portée technique de la présente invention. [0065] Par exemple, dans le cas où l'antenne selon la présente invention est montée à l'extérieur ou à l'intérieur d'un bâtiment, l'antenne peut être rendue peu remarquable en utilisant et les mêmes diagrammes pour une surface avant de l'antenne que le mur ou le plafond du bâtiment. 10