Brevet FR3126554A1 — publié le 20230303

Antenne multi-bandes Antenne (100) comprenant au moins une première cavité (110) résonante et une deuxième cavité (120) résonante, chaque cavité (110, 120) résonante étant fermée par un fond (112, 122) à une extrémité et comprenant un élément rayonnant (111, 121) superposé au fond de la cavité résonante, l’élément rayonnant (111) de la première cavité (110) étant apte à émettre un signal dans une première bande de fréquence et l’élément rayonnant (121) de la deuxième cavité (120) étant apte à émettre un signal dans une deuxième bande de fréquence disjointe de la première bande de fréquence, caractérisée en ce qu’une première distance entre le fond (112) et l’élément rayonnant (111) de la première cavité (110) est différente d’une deuxième distance entre le fond (122) et l’élément rayonnant (121) de la deuxième cavité (120). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Antenne multi-bandes La présente invention concerne une antenne apte à émettre dans plusieurs bandes de fréquence avec une couverture large et permettant à elle-seule de réaliser plusieurs fonctions distinctes de communication. Les véhicules spatiaux sont équipés d’antennes qui assurent pendant les phases de vol la communication entre ces véhicules et les stations au sol. Ces antennes servent notamment à la télémesure, la trajectographie, ou au système de positionnement par satellites (« Global Navigation Satellite System », GNSS). La réalisation de ces fonctions peut nécessiter de recourir à un système complexe à plusieurs antennes chacune étant associée à une fonction particulière. Dans certains systèmes tels que les stations de base, les antennes sont multi-bandes multiports avec un besoin important de découplage entre les bandes. Ces antennes réalisent directement une fonction de filtrage permettant d’émettre et de recevoir simultanément à des fréquences différentes avec un faible niveau d’interférences. Dans les systèmes où les plateformes sont mobiles les unes par rapport aux autres, tels que les trains, les lanceurs, les satellites ou encore les avions, c’est-à-dire les systèmes dans lesquels le lien sans-fil peut être difficilement maintenu, des antennes à couverture hémisphérique à polarisation circulaire peuvent être nécessaires pour maintenir le lien quel que soit l’orientation et l’altitude de la plateforme. Dans ce cadre-là, les besoins de couverture hémisphérique et de polarisation circulaire s’ajoutent au besoin multi-bande. Une solution à ce besoin consiste à utiliser une antenne à polarisation circulaire très large bande ou multi-bande à un port comme dans l’article « Single-Feed Ultra-Wideband Circularly Polarized Antenna with Enhanced Front-to-back Ratio » de L. Zhang et al. , publié en 2016 dans IEEE Trans. Antennas Propagation , capable de couvrir toutes les bandes utiles et d’y insérer une fonction de multiplexage pour séparer les chaînes de communication. Cependant, les antennes large bande et multi-bandes ont des diagrammes de rayonnement instables qui varient en fonction de la fréquence et/ou ont des niveaux d’adaptation plus faibles. En effet, une augmentation du gain et des lobes secondaires peuvent apparaître avec l’augmentation de la fréquence, ce qui est incompatible avec un besoin strict de couverture hémisphérique. Les stations de base possèdent des éléments rayonnants individuels dimensionnés pour chaque bande de fréquence qui n’ont pas cette problématique d’instabilité du diagramme de rayonnement. Par ailleurs, les agencements incorporés, par exemple dans l’article « A Dual-broadband, Dual-polarized Base Station Antenne for 2G/3G/4G Applications » de H. Huang et al. publié en 2017 dans IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters , entrelacés, par exemple dans l’article « Suppression of Cross-Band Scattering in Multiband Antenna Arrays » de H.H Sun et al . publié en 2019 dans IEEE Trans. Antennas Propagation , et superposés, par exemple dans l’article « Decoupling and Low-Profile Design of Dual-band Dual-polarized Base Station Antennas Using Frequency-selective Surface » de Y. Zhu et al. publié en 2019 dans IEEE Trans. Antennas Propagation , des différents éléments rayonnants des stations de base permettent leur bon fonctionnement en optimisant l’espace total occupé. Cependant ces solutions sont souvent limitées à deux ou trois bandes de fréquence, car l’agencement pour quatre bandes est complexe. De plus, le taux de couverture hémisphérique reste limité et le couplage entre les éléments peut être élevé. Enfin, des effets de diffraction des ondes entre les différents éléments rayonnants sont présents, ce qui impacte la qualité de la polarisation circulaire et le taux de couverture. Il est donc souhaitable de disposer d’une antenne apte à émettre dans plusieurs bandes de fréquence distinctes pour la réalisation de plusieurs fonctions de communication tout en conservant un encombrement limité, une bonne couverture hémisphérique et une polarisation circulaire dans toutes les bandes de fréquence de l’antenne. La présente invention concerne une antenne comprenant au moins une première cavité résonante et une deuxième cavité résonante, chaque cavité résonante étant fermée par un fond à une extrémité et comprenant un élément rayonnant superposé au fond de la cavité résonante, l’élément rayonnant de la première cavité étant apte à émettre un signal dans une première bande de fréquence et l’élément rayonnant de la deuxième cavité étant apte à émettre un signal dans une deuxième bande de fréquence disjointe de la première bande de fréquence, caractérisée en ce qu’une première distance entre le fond et l’élément rayonnant de la première cavité est différente d’une deuxième distance entre le fond et l’élément rayonnant de la deuxième cavité. Cette invention permet de produire une architecture d’antenne simple capable d’accueillir une multitude d’éléments rayonnants fonctionnant à des fréquences différentes. Grâce à cette architecture, l’interaction mutuelle entre ces éléments est réduite. Chaque élément rayonnant peut donc fonctionner correctement et peut donc produire une polarisation et un diagramme de rayonnement hémisphérique de qualité. L’invention offre également des degrés de liberté d’optimisation qui permettent de réduire les dimensions initiales du plus grand élément rayonnant et de sa cavité résonante. Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’antenne comprend également une troisième cavité résonante fermée par un fond à une extrémité et comprenant un élément rayonnant superposé au fond de la troisième cavité résonante, l’élément rayonnant de la troisième cavité étant apte à émettre un signal dans une troisième bande de fréquence disjointe des première et deuxième bandes de fréquence et une troisième distance entre le fond et l’élément rayonnant de la troisième cavité étant différente au moins de la première ou de la deuxième distance. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’antenne comprend également une quatrième cavité résonante fermée par un fond à une extrémité et comprenant un élément rayonnant superposé au fond de la quatrième cavité résonante, l’élément rayonnant de la quatrième cavité étant apte à émettre un signal dans une quatrième bande de fréquence disjointe des première, deuxième et troisième bandes de fréquence et une quatrième distance entre le fond et l’élément rayonnant de la quatrième cavité étant différente au moins de la première, de la deuxième ou de la troisième distance. Les cavités comprises dans l’antenne sont des cavités distinctes qui définissent des zones de fond distinctes délimitées par les parois de ces cavités. En ayant trois ou quatre cavités, on peut réaliser une antenne tri ou quadri-bandes. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, une paroi de la première cavité et une paroi de la deuxième cavité ont une portion commune, les parois étant distinctes des fonds des cavités. Le fait d’avoir une portion commune permet de fusionner sur cette portion commune les parois des première et deuxième cavités. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la première cavité et la deuxième cavité sont tangentes et leurs parois ont une génératrice commune. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, au moins une partie de la deuxième cavité est située à l’intérieur de la première cavité. Selon un mode de réalisation de l’invention, les éléments rayonnants des cavités résonantes sont situés dans un même plan. Selon un autre mode de réalisation de l’invention, les fonds des cavités résonantes sont situés dans un même plan. Selon une caractéristique particulière de l’invention, les cavités résonantes sont monomodes ou majoritairement monomodes dans les bandes de fréquence des éléments rayonnants associés. Par « monomode », il faut comprendre que seul le mode fondamental de la cavité résonante considérée peut se propager. Par « majoritairement monomode », il faut comprendre que la cavité résonante considérée est monomode sur au moins 50%, par exemple au moins 75%, de la bande de fréquence considérée. Dans ce cas, la cavité résonante peut ne pas être monomode sur au moins une extrémité de la bande de fréquence, elle peut être sans mode ou bi-mode sur cette extrémité. Le fait d’avoir des cavités monomodes ou majoritairement monomodes dans les bandes de fréquence des éléments rayonnants associés permet de minimiser les dimensions de l’antenne tout en conservant un fonctionnement optimal des éléments rayonnants. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, dans le cas d’une antenne comprenant au moins trois cavités résonantes telle que décrites précédemment, les cavités résonantes distinctes de la première cavité sont réparties uniformément le long d’une direction circonférentielle de la première cavité résonante. Cela permet de limiter les interactions entre les éléments rayonnants des différentes cavités résonantes. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, les cavités résonantes ont une section ovale, circulaire, carrée ou octogonale. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, au moins une des cavités résonantes comprend une structure de filtrage à base d’iris, des absorbants ou des ouvertures sur sa paroi à une extrémité opposée au fond de la cavité résonante. Un autre objet de l’invention est un véhicule équipé d’au moins une antenne selon l’invention. Selon une caractéristique particulière de l’invention, le véhicule est un véhicule spatial. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le véhicule est un lanceur spatial, un véhicule d’exploration ou un satellite. Cela permet d’obtenir un véhicule équipé d’une architecture d’antenne simple pouvant accueillir une multitude d’éléments rayonnants fonctionnant à différentes fréquences avec une polarisation et un diagramme de rayonnement hémisphérique de qualité, par exemple avec un taux de couverture de l’architecture d’antenne de 90 % évalué à -7 dBic, le gain de l’antenne étant évalué en tenant compte de la polarisation circulaire. Ce taux de couverture peut ainsi, par exemple, répondre aux besoins typiques d’un système de géolocalisation GPS. De plus, dans les stations de base de l’art antérieur, des phénomènes de diffraction d’un élément rayonnant sur un autre élément rayonnant provoquent des inversions de sens de rotation de la polarisation, c’est-à-dire que la polarisation circulaire s’inverse dans une direction donnée, en passant par exemple d’une rotation droite à une rotation gauche. Ainsi, si on évalue le gain en polarisation circulaire droite, on constate que le gain chute brutalement à certains endroits, ce qui crée des trous dans le diagramme de rayonnement faisant chuter drastiquement le taux de couverture hémisphérique. L’invention permet d’éviter ce problème, car aucun inversement du sens de rotation de la polarisation n’apparaît sur toute la demi-sphère supérieure. Cela permet donc d’assurer une polarisation circulaire de qualité sur toute la demi-sphère supérieure. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. La représente, de manière schématique et partielle, une antenne selon un mode de réalisation de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, une coupe de la . La représente, de manière schématique et partielle, une antenne selon un autre mode de réalisation de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, une antenne selon un autre mode de réalisation de l’invention. Antenne (100, 300, 400) comprenant au moins une première cavité (110, 310, 410) résonante et une deuxième cavité (120, 320, 420) résonante, chaque cavité résonante (110, 120, 310, 320, 420) étant fermée par un fond (112, 122, 312, 322, 422) à une extrémité et comprenant un élément rayonnant (111, 121, 311, 321, 421) superposé au fond de la cavité résonante, l’élément rayonnant (111, 311, 411) de la première cavité (110, 310, 410) étant apte à émettre un signal dans une première bande de fréquence et l’élément rayonnant (121, 321, 421) de la deuxième cavité (120, 320, 420) étant apte à émettre un signal dans une deuxième bande de fréquence disjointe de la première bande de fréquence, caractérisée en ce qu’une première distance (h1) entre le fond (112) et l’élément rayonnant (111) de la première cavité (110) est différente d’une deuxième distance (h2) entre le fond (122) et l’élément rayonnant (121) de la deuxième cavité (120). Antenne (100, 300, 400) selon la revendication 1, comprenant également une troisième cavité (130, 330, 430) résonante fermée par un fond (132, 332, 432) à une extrémité et comprenant un élément rayonnant (131, 331, 431) superposé au fond de la troisième cavité résonante, l’élément rayonnant de la troisième cavité étant apte à émettre un signal dans une troisième bande de fréquence disjointe des première et deuxième bandes de fréquence et une troisième distance (h3) entre le fond (132) et l’élément rayonnant (131) de la troisième cavité (130) étant différente au moins de la première (h1) ou de la deuxième (h2) distance. Antenne (100) selon la revendication 2, comprenant également une quatrième cavité (140) résonante fermée par un fond (142) à une extrémité et comprenant un élément rayonnant (141) superposé au fond de la quatrième cavité résonante, l’élément rayonnant de la quatrième cavité étant apte à émettre un signal dans une quatrième bande de fréquence disjointe des première, deuxième et troisième bandes de fréquence et une quatrième distance (h4) entre le fond (142) et l’élément rayonnant (141) de la quatrième cavité (140) étant différente au moins de la première (h1), de la deuxième (h2) ou de la troisième (h3) distance. Antenne selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle une paroi (115) de la première cavité (110, 310) et une paroi (125) de la deuxième cavité (120, 320) ont une portion commune (124, 324), les parois étant distinctes des fonds des cavités. Antenne selon la revendication 4, dans laquelle au moins une partie de la deuxième cavité (120, 330, 430) est située à l’intérieur de la première cavité (110, 310, 410). Antenne selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les éléments rayonnants (111, 121, 131, 141) des cavités résonantes (110, 120, 130, 140) sont situés dans un même plan. Antenne selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les fonds des cavités résonantes sont situés dans un même plan. Antenne selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle les cavités résonantes sont monomodes ou majoritairement monomodes dans les bandes de fréquence des éléments rayonnants associés. Antenne selon la revendication 2 ou l’une quelconque des revendications 3 à 8 rattachée à la revendication 2, dans laquelle les cavités résonantes distinctes de la première cavité sont réparties uniformément le long d’une direction circonférentielle de la première cavité résonante. Véhicule équipé d’au moins une antenne selon l’une quelconque des revendications 1 à 9. Véhicule selon la revendication 10, dans lequel le véhicule est un véhicule spatial. Véhicule selon la revendication 11, dans lequel le véhicule est un lanceur spatial, un véhicule d’exploration ou un satellite.