Brevet FR3157020A1 — publié le 20250620

Antenne omnidirectionnelle et ensemble antennaire associé. La présente invention concerne une antenne omnidirectionnelle (20) comportant un élément rayonnant (26), une couche métallique (22) portée à un potentiel de référence de manière à constituer une couche de masse, et des moyens d’excitation (40) de l’élément rayonnant, l’élément rayonnant étant disposé au-dessus de la couche de masse, qui se caractérise en ce que l’élément rayonnant (26) est constitué par une lamelle métallique conforme à une surface courbe, la surface courbe présentant une courbure de Gauss strictement positive en chacun de ses points. Figure pour l'abrégé : Figure 3 Antenne omnidirectionnelle et ensemble antennaire associé. La présente invention concerne une antenne à rayonnement omnidirectionnel et un ensemble antennaire comportant une telle antenne. Diverses applications peuvent nécessiter la mise en œuvre d’une antenne à rayonnement omnidirectionnel. Dans le présent document, est considérée l’application spécifique dans laquelle une antenne omnidirectionnelle est utilisée en tant qu’antenne radiofréquence commune au centre d’une antenne réseau hémisphérique. Une antenne réseau hémisphérique comporte une pluralité d’éléments rayonnants portés par la surface externe d’un radome hémisphérique. La surface interne de ce radome porte une pluralité de modules d’émission / réception, chaque module d’émission / réception adressant un élément rayonnant associé. Pour transmettre les signaux d’émission, de réception et/ou de pilotage des composants actifs, entre une électronique bas niveau et chacun des modules d’émission / réception, il est préférable de mettre en œuvre une liaison sans fil, par exemple une liaison radiofréquence - RF. Alors que chaque module d’émission / réception est équipé d’une antenne RF individuelle, l’électronique bas niveau est connectée à une antenne RF commune. L’antenne commune est placée au centre de la demi-sphère que forme l'antenne réseau, ou au voisinage du centre, notamment légèrement en retrait du centre le long de l’axe de symétrie de l’antenne pour compenser une ouverture trop faible du lobe principal de l’antenne. On cherche à utiliser une antenne qui soit propre à produire un rayonnement hémisphérique (c’est-à-dire présentant un angle solide d’ouverture de 2π) pour exciter les modules d’émission / réception répartis sur le radome hémisphérique. On connait des antennes qui sont présentées comme étant omnidirectionnelles, comme les antennes dipolaires, les antennes monopolaires, les antennes colinéaires, les antennes hélicoïdales, etc. Cependant, dans les faits, ces antennes ne génèrent pas un diagramme de rayonnement omnidirectionnel : si à une très forte atténuation (-12dB), le diagramme de rayonnement effectif peut s’approcher d’un diagramme de rayonnement omnidirectionnel plus l'atténuation est réduite (-6dB) et plus le diagramme de rayonnement effectif s’écarte d’un diagramme de rayonnement omnidirectionnel. Or, pour l’application en tant qu’antenne RF commune d’une antenne réseau hémisphérique, le radôme, qui porte une couche métallique, délimite intérieurement une cavité, qui confine les ondes électromagnétiques. Les signaux RF émis par l’antenne commune et chacune des antennes individuelles des modules d’émission / réception sont confinés à l'intérieur de cette cavité, de sorte que le niveau du bruit de fond à l’intérieur de la cavité est élevé. En conséquence, il faut que l’antenne mise en œuvre puisse fonctionner bien au-dessus du niveau du bruit de fond, c’est-à-dire qu’elle exhibe un diagramme de rayonnement omnidirectionnel même à faible atténuation (autour de -3dB). Le but de l’invention est alors de proposer une antenne permettant de répondre à ce problème. A cet effet, l’invention a pour objet une antenne omnidirectionnelle comportant un élément rayonnant, une couche métallique portée à un potentiel de référence de manière à constituer une couche de masse, et des moyens d’excitation de l’élément rayonnant, l’élément rayonnant étant disposé au-dessus de la couche de masse, caractérisée en ce que l’élément rayonnant est constitué par une lamelle métallique conforme à une surface courbe, la surface courbe présentant une courbure de Gauss strictement positive en chacun de ses points. Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, l’antenne comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - la surface courbe est une sphère, de centre O et de rayon R. - l’élément rayonnant est symétrique à la fois par rapport à un plan longitudinal et un plan transversal, les plans longitudinal et transversal étant orthogonaux entre eux, leur intersection définissant un axe central, un apex de l’élément rayonnant étant situé sur l’axe central. - dans chaque plan passant par l’axe central, un diagramme de rayonnement à -3dB ayant une ouverture du lobe principal d’au moins 160°. - l’élément rayonnant est de forme oblongue. - l’élément rayonnant est délimitée par des bords longitudinaux et par des bords latéraux, la courbure des bords permettant d’ajuster le diagramme de rayonnement de l’antenne. - le moyen d’excitation de l’antenne permet d’exciter l’élément métallique en au moins un port d’excitation, le port d’excitation étant situé à l’écart de l’apex de l’élément rayonnant. - l’élément rayonnant est porté sur une face externe d’une couche de support en un matériau diélectrique, une face interne de la couche de support portant la couche de masse. - les surfaces externe et interne de la couche de support sont des demi-sphères concentriques, la couche de support ayant une épaisseur constante. L’invention a également pour objet un ensemble antennaire comportant une antenne omnidirectionnelle conforme à l’antenne précédente et un élément de support, l’élément de support supportant l’antenne omnidirectionnelle, l’élément de support ayant une paroi externe métallique portée au potentiel de référence, la présence de l’élément de support modifiant le diagramme de rayonnement de l’antenne omnidirectionnel pour ajuster son ouverture. L’invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins dans lesquels : FIG. 1 la FIG. 1 est vue de dessus d’un ensemble antennaire selon l’invention ; FIG. 2 la FIG. 2 est vue de côté de l’ensemble antennaire de la FIG. 1 ; FIG. 3 la FIG. 3 est une section axiale de l’ensemble antennaire de la FIG. 1 ; et, FIG. 4 la FIG. 4 représente le diagramme de rayonnement de l’ensemble antennaire de la FIG. 1 dans deux plans axiaux orthogonaux. Les figures 1, 2 et 3 illustrent un mode de réalisation préféré d’un ensemble antennaire 10 selon l’invention. L’ensemble antennaire 10 comporte une antenne omnidirectionnelle 20 et un élément de support 30 de cette antenne omnidirectionnelle. L’antenne omnidirectionnelle 20 présente la forme d’une demi-sphère de centre O et de rayon R. Un repère XYZ est attaché au centre O de la demi-sphère. L’élément antennaire 10 est symétrique par rapport au plan YZ et par rapport au plan XZ. Comme visible en coupe sur la FIG. 3 , l’antenne omnidirectionnelle 20 comporte successivement, de l’intérieur vers l’extérieur, une couche métallique 22 formant la masse électrique, une couche de support 24 et un élément rayonnant métallique, ou « patch », 26. La couche de support 24 forme un dôme hémisphérique, dont la surface extérieure est à la distance R du centre O. La couche de support 24 est réalisée dans un matériau diélectrique dont la permittivité relative est adaptée. La couche métallique 22 recouvre la surface intérieure de la couche de support 24. Si dans l’état de la technique un patch est un élément rayonnant planaire, selon la présente invention, il s’agit d’un élément rayonnant tridimensionnel, conformé sur la surface extérieure de la couche de support 24, et constituant par conséquent une surface courbe. Au point d’apex B par exemple, cette surface présente à la fois une courbure non nulle dans le plan YZ et une courbure non nulle dans le plan XZ. Le patch 26 est délimité par deux bords longitudinaux, 33 et 34, et par des bords latéraux, 35 et 36. Par exemple, le bord longitudinal 33, respectivement le bord longitudinal 34, correspondent à l’intersection de la sphère de centre O et de rayon R et d’un plan horizontal, parallèle au plan XY, mais à une hauteur h au-dessus de celui-ci. En vue de dessus ( FIG. 1 ), les bords longitudinaux présentent une concavité orientée vers le centre O de l’antenne 20. Par exemple, le bord latéral 31, respectivement le bord latéral 32, correspondent à l’intersection de la sphère de centre O et de rayon R et d’un cylindre d’axe C2, respectivement d’un cylindre d’axe C1, et de rayon Rc, l’axe C2, respectivement l’axe C1, étant parallèle à l’axe Z et reposant dans le plan XZ. En vue de dessus ( FIG. 1 ), les bords longitudinaux présentent une concavité orientée à l’écart du centre O de l’antenne 20. L’excitation du patch 26 est réalisée par un port P. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, le port P est connecté à l’âme 42 d’un câble coaxial 40 permettant la connexion de l’élément rayonnant de l’antenne omnidirectionnelle 20 à l’électronique bas niveau (non représentée sur les figures). L’âme circule à travers un via 25 ménagé à travers la couche métallique 22 et la couche de support 24. La gaine 44 du câble coaxial 40 est reliée électriquement à la couche métallique 22, c’est-à-dire au potentiel de masse. Avantageusement, le point P est situé dans le plan YZ de symétrie du patch 26, mais hors de l’axe Z. Le décalage du point P par rapport à l’apex B du patch 26 permet d’ajuster l’impédance du patch à par exemple 50 Ohms tout en faisant fonctionner le patch dans un similaire au mode TM10 d’un élément rayonnant plan. L’élément de support 30 est de forme tronconique autour de l’axe Z. Sa grande base est circulaire, de rayon R0, et sa petite base est circulaire de centre 0 et de rayon R. L’élément de support 30 présente une hauteur h0. Il présente une demi-ouverture au sommet A du cône égale à θ. Comme visible sur la coupe de la FIG. 3 , l’élément de support 30 est constitué d’une paroi latérale 23 métallique. Pour assurer la continuité électrique entre la paroi latérale 23 de l’élément de support 30 et la couche métallique 22 de l’antenne 20, la petite base de l’élément de support 30 présente une collerette annulaire 31 également métallique. Ainsi, la couche métallique 22, la collerette 31 et la paroi latérale 32 forment une équipotentielle portée au potentiel de masse. Le diagramme de rayonnement de l’élément antennaire 10 est représenté sur la FIG. 4 . Plus précisément, le graphe A est le gain en fonction de l’angle d’émission dans le plan XZ, alors que le graphe B est le gain en fonction de l’angle d’émission dans le plan YZ. Si l’on définit l’ouverture angulaire entre les directions d’émission où l’amplitude est réduite de 3dB par rapport à l’amplitude maximale (le long de la direction du lobe principal DX sur le diagramme de la Figure 4A et DY sur le diagramme de la Figure 4B) alors on obtient un angle αX de 165 deg environ dans le plan de la Figure 4A, et un angle αY de 200 deg environ dans le plan de la Figure 4B. La FIG. 4 résulte d’une simulation faite pour un élément antennaire fonctionnant à 10 GHz, soit une longueur d’onde caractéristique dans le vide de 30 mm. L’élément de support présente les dimensions caractéristiques : h 0 = 8mm ; R 0 = 10 mm. Le patch présente une longueur curviligne bord à bord selon la direction Y de 7 mm et selon la direction X de 2,5 mm. Sur les figures 2 et 3 le champ électrique rayonné à l’infini ( ) par l’élément antennaire 10 a été représenté de manière illustrative en différents points. L’onde émise est polarisée linéairement. L’élément antennaire venant d’être présenté peut connaître un grand nombre de variantes. Tout d’abord l’élément antenne peut se limiter à l’antenne omnidirectionnelle, sans élément de support. Cependant, les simulations montrent que dans ce cas, l’angle d’ouverture est supérieur à 180°. Un tel angle d’ouverture est trop important pour l’application d’antenne RF commune dans une antenne réseau hémisphérique. L’élément de support métallique permet alors de « repousser » le champ électrique et réduire ainsi l’ouverture de l’élément rayonnant par rapport à celle de l’antenne omnidirectionnelle isolée. En jouant sur la forme de l’élément de support, le diagramme de rayonnement peut ainsi être adapté. Par exemple, en jouant sur la valeur du demi-angle d’ouverture. Par exemple encore, en jouant sur le contour de la grande base de l’élément de support, qui au lieu d’être circulaire pourrait être elliptique ou en forme de « cacahuète ». Le contour de l’élément rayonnant peut également être adapté pour ajuster la forme du diagramme de rayonnement. Notamment la concavité des bords latéraux, au lieu d’être négative, peut être réduite, annulée, voire rendue positive. Au lieu d’un port d’excitation, l’élément rayonnant pourrait être excité par une pluralité de ports, notamment une paire de ports alimentés en différentiel. L’excitation de l’élément rayonnant peut reprendre n’importe quelle technique connue (alimentation par via, par fente, etc.). La valeur de la permittivité relative du matériau diélectrique constitutif du support peut également être ajustée. La forme de la surface courbe sur laquelle se conforme l’élément rayonnant peut être autre chose qu’une sphère. De manière générale il s’agit d’une surface courbe présentant en chacun de ses points une courbure de Gauss (ou courbure totale) strictement positive. La courbure de Gauss est définie par le produit de la courbure selon une direction principale et une courbure selon une direction secondaire, normale à la direction principale, les directions principale et secondaire définissant un plan tangent à la surface considérée au point considéré. L’antenne omnidirectionnel présente l’avantage de générer une onde électromagnétique homogène en amplitude, avec une polarité linéaire dans tout le demi espace. Elle est facile à réaliser. Elle est composée d’un seul élément rayonnant (pas de matrice pour garder la cohérence et la phase). L’antenne avec ou sans son élément de support reste compact, ce qui facilite son intégration, notamment dans le cas d’usage en tant qu’antenne RF centrale logée à l’intérieur d’un radome hémisphérique. Antenne (20) omnidirectionnelle comportant un élément rayonnant (26), une couche métallique (22) portée à un potentiel de référence de manière à constituer une couche de masse, et des moyens d’excitation (40) de l’élément rayonnant, l’élément rayonnant étant disposé au-dessus de la couche de masse, caractérisée en ce que l’élément rayonnant est constitué par une lamelle métallique conforme à une surface courbe, la surface courbe présentant une courbure de Gauss strictement positive en chacun de ses points. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle la surface courbe est une sphère, de centre O et de rayon R. Antenne selon la revendication 2, dans laquelle l’élément rayonnant est symétrique à la fois par rapport à un plan longitudinal (YZ) et un plan transversal (XZ), les plans longitudinal et transversal étant orthogonaux entre eux, leur intersection définissant un axe central (Z), un apex (B) de l’élément rayonnant étant situé sur l’axe central. Antenne selon la revendication 3, présentant, dans chaque plan passant par l’axe central (Z), un diagramme de rayonnement à -3dB ayant une ouverture du lobe principal d’au moins 160°. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’élément rayonnant (26) est de forme oblongue. Antenne selon la revendication 5, dans laquelle l’élément rayonnant (26) est délimitée par des bords longitudinaux (33, 34) et par des bords latéraux (35, 36), la courbure des bords permettant d’ajuster le diagramme de rayonnement de l’antenne. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens d’excitation de l’élément rayonnant de l’antenne permet d’exciter l’élément métallique en au moins un port d’excitation (P), le port d’excitation étant situé à l’écart d’un apex (B) de l’élément rayonnant. Antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’élément rayonnant est porté sur une face externe d’une couche de support (24) en un matériau diélectrique, une face interne de la couche de support portant la couche de masse. Antenne selon la revendication 8, dans laquelle les surfaces externe et interne de la couche de support sont des demi-sphères concentriques, la couche de support ayant une épaisseur constante. Ensemble antennaire (10), caractérisé en ce qu’il comporte une antenne omnidirectionnelle (20) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un élément de support (30), l’élément de support supportant l’antenne omnidirectionnelle, l’élément de support ayant une paroi externe métallique portée au potentiel de référence, la présence de l’élément de support modifiant le diagramme de rayonnement de l’antenne omnidirectionnel pour ajuster son ouverture.