(19)
(11)EP 2 593 988 B1

(12)FASCICULE DE BREVET EUROPEEN

(45)Mention de la délivrance du brevet:
06.05.2020  Bulletin  2020/19

(21)Numéro de dépôt: 11743122.1

(22)Date de dépôt:  15.07.2011
(51)Int. Cl.: 
H01Q 1/34  (2006.01)
(86)Numéro de dépôt:
PCT/FR2011/051695
(87)Numéro de publication internationale:
WO 2012/007699 (19.01.2012 Gazette  2012/03)

(54)

ANTENNE FILAIRE POUR UNE ÉMISSION HAUTE FRÉQUENCE

DRAHTANTENNE FÜR HOCHFREQUENZÜBERTRAGUNGEN

WIRE ANTENNA FOR HIGH-FREQUENCY TRANSMISSION


(84)Etats contractants désignés:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

(30)Priorité: 15.07.2010 FR 1002978

(43)Date de publication de la demande:
22.05.2013  Bulletin  2013/21

(73)Titulaire: THALES
92200 Neuilly-sur-Seine (FR)

(72)Inventeur:
  • MOLIERE, Alain
    F-92704 Colombes Cedex (FR)

(74)Mandataire: Lavoix 
2, place d'Estienne d'Orves
75441 Paris Cedex 09
75441 Paris Cedex 09 (FR)


(56)Documents cités: : 
WO-A1-03/012922
US-A1- 2010 045 545
WO-A2-2006/123311
US-B1- 6 411 260
  
      
    Il est rappelé que: Dans un délai de neuf mois à compter de la date de publication de la mention de la délivrance de brevet européen, toute personne peut faire opposition au brevet européen délivré, auprès de l'Office européen des brevets. L'opposition doit être formée par écrit et motivée. Elle n'est réputée formée qu'après paiement de la taxe d'opposition. (Art. 99(1) Convention sur le brevet européen).


    Description


    [0001] La présente invention concerne une antenne filaire selon le préambule de la revendication 1.

    [0002] L'invention s'applique au domaine de la radiocommunication dans les bandes haute fréquence (HF pour « high frequency » en anglais) et très basse fréquence (TBF ou VLF pour « very low frequency » en anglais), s'étendant respectivement de 3 à 30 MHz et de 3 et 30 kHz.

    [0003] Les sous-marins transmettent et reçoivent des signaux via des antennes filaires remorquées ou tractées par les sous-marins, dont la flottabilité est telle que les antennes sont proches de la surface pendant que le sous-marin est en immersion à une plus grande profondeur.

    [0004] Ces antennes filaires sont dimensionnées électriquement pour fonctionner à très basse fréquence car les ondes TBF pénètrent jusqu'à une profondeur de 10 à 50 m dans l'eau, selon la fréquence et la salinité de l'eau, contrairement aux ondes hautes fréquences (HF) qui pénètrent peu dans l'eau.

    [0005] De façon connue, la longueur idéale de l'élément rayonnant de l'antenne filaire est égale au quart de la longueur d'onde des ondes à émettre, c'est-à-dire le quart du rapport de la célérité de l'onde dans le milieu de propagation par sa fréquence. C'est ce qu'on appelle une antenne quart d'onde.

    [0006] En pratique, les antennes filaires TBF (ou VLF), c'est-à-dire adaptée à fonctionner dans la bande très basse fréquence, sont beaucoup plus courtes que la longueur idéale. C'est le cas des antennes filaires TBF de réception actuelles, qui sont bien plus courtes que la théorie le voudrait mais suffisamment sensibles pour recevoir des ondes de la bande TBF (VLF en anglais). Il se trouve que cette longueur peut atteindre la longueur idéale nécessaire pour l'émission en début de la bande haute fréquence à quelques MHz.

    [0007] Néanmoins, ces antennes TBF ne sont pas adaptées pour fonctionner dans le reste de la bande haute fréquence.

    [0008] De même, pour utiliser une antenne filaire à des fréquences qui ne correspondent pas à la longueur ou hauteur physique de l'élément rayonnant, il existe des circuits électroniques d'adaptation disposés au pied de l'antenne, lorsque celle-ci est aérienne, appelés « boîte d'adaptation » d'antenne. Un inconvénient de ce dispositif est que l'adaptation est à faire de manière différente pour chaque fréquence utilisée. Par exemple, dans la gamme haute fréquence, les boîtes d'adaptation contiennent environ 25 composants à utiliser de manière combinatoire (soit 225 combinaisons) déterminés par un calculateur. En outre, le volume d'un tel système d'adaptation est proportionnel à la puissance délivré par l'émetteur, soit environ 200 L pour un émetteur de 500 W, ce qui n'est pas adaptable à un sous-marin. Le document US2010/0045545 (Tonn) décrit un système d'émission comportant un élément rayonnant avec une bande passante contenant une partie de la bande hautes fréquences, qui peut être utilisé pour un sous-marin proche de la surface. L'antenne ne peut toutefois pas être utilisée à grande profondeur.

    [0009] Le but de l'invention est de pallier cet inconvénient d'adaptation de l'antenne à l'émission dans la bande haute fréquence.

    [0010] A cet effet, l'invention a pour objet, une antenne filaire selon la revendication 1.

    [0011] Suivant des modes particuliers de réalisation, l'antenne filaire comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques des revendications 2 à 6.

    [0012] L'invention a également pour objet un système d'émission selon la revendication 7.

    [0013] Suivant un mode particulier de réalisation, le système d'émission comprend les caractéristiques de la revendication 8.

    [0014] L'invention a également pour objet un véhicule sous-marin selon la revendication 9.

    [0015] L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins, sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique d'une antenne filaire selon l'invention connectée à un sous-marin,
    • la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de l'antenne filaire de la figure 1, et
    • la figure 3 est une vue schématique d'une antenne filaire selon l'invention comprenant deux filtres isolateurs.


    [0016] En référence à la figure 1, l'invention concerne une antenne filaire 2 connectée à un sous-marin 4.

    [0017] Lorsque le sous-marin souhaite communiquer en haute fréquence ou très basse fréquence tout en restant en immersion profonde, l'antenne filaire 2 est déployée et tractée par le sous-marin tout en flottant depuis son extrémité à la surface de l'eau 5.

    [0018] L'antenne filaire 2 comprend un câble coaxial 6 et un élément rayonnant 8 flottant.

    [0019] Le câble coaxial 6 est relié à une extrémité 6A à l'élément rayonnant 8 et à l'autre extrémité 6B au sous-marin 4.

    [0020] L'antenne filaire 2 est du type « antenne filaire TBF », c'est-à-dire adaptée à fonctionner à très basse fréquence entre 3 et 30 kHz et en particulier à recevoir des ondes TBF (VLF en anglais).

    [0021] L'élément rayonnant 8 de l'antenne filaire 2 a une longueur plus courte que la théorie le voudrait mais est suffisamment sensible pour recevoir des ondes de la bande TBF entre 3 kHz et 30 kHz. La longueur est sensiblement égale à la longueur idéale nécessaire pour l'émission en début de la bande haute fréquence à quelques MHz. Par exemple, une longueur est sensiblement comprise entre 10 et 40 m pour émettre des ondes à environ 6 MHz.

    [0022] En outre, l'antenne filaire 2 comporte un système de commutation 12 situé dans le sous-marin 4 et connecté électriquement au câble coaxial 6 permettant de commuter entre le fonctionnement en haute fréquence (émission et réception) et le fonctionnement en très basse fréquence (réception). L'antenne filaire 2 comprend en outre au moins un filtre isolateur 14 disposé sur l'élément rayonnant 8 de l'antenne filaire 2.

    [0023] L'élément rayonnant 8 est électriquement coupé en plusieurs endroits pour placer les différents filtres isolateurs 14. Cette coupure électrique est similaire à la coupure électrique réalisée entre l'élément rayonnant 8 et le câble coaxial 6 qui transporte le signal reçu à un récepteur du sous-marin 4. De façon connue, un assemblage mécanique assure le maintien entre les différents tronçons de l'élément rayonnant 8 et le câble coaxial 6 ou les filtres isolateurs 14.

    [0024] Chaque filtre isolateur 14 est un circuit électrique comprenant une inductance 16 et une capacité 18 en parallèle, tel que représenté sur la figure 2 et communément appelé circuit bouchon.

    [0025] Les valeurs L de l'inductance 16 et C de la capacité 18 sont choisies en fonction de la fréquence centrale F d'émission dans la bande haute fréquence désirée, selon la relation mathématique F2 = 1/(4π2LC). Par exemple, la valeur de l'inductance est de l'ordre de 1 µH.

    [0026] De façon connue, le rapport entre la valeur L de l'inductance 16 et la valeur C de la capacité 18 détermine la largeur de bande du filtre isolateur 14 autour de la fréquence centrale F. La largeur de bande passante est sensiblement égale à 2 MHz autour de la fréquence centrale.

    [0027] Chaque filtre isolateur 14 est disposé sur l'élément rayonnant 8 à une distance fixe de l'extrémité de l'élément rayonnant 8 reliée au câble coaxial 6.

    [0028] De façon connue, cette distance est de préférence égale au quart de la longueur d'onde de l'onde haute fréquence à émettre, pour former une « antenne quart-d'onde ».

    [0029] La distance est comprise entre le quart de la longueur d'onde d'une onde haute fréquence dans l'eau et le quart de la longueur d'onde d'une onde haute fréquence dans l'air.

    [0030] Selon une variante, la distance est égale au trois quart du rapport de la célérité divisée par la fréquence de l'onde. De façon connue, il s'agit d'une « antenne trois-quarts d'onde ». Pour une même fréquence, l'efficacité sera moins bonne que pour une antenne quart-d'onde.

    [0031] Ainsi, chaque filtre isolateur 14 permet d'ajuster la longueur de l'antenne TBF (VLF en anglais) à une longueur virtuelle plus courte que la longueur physique. Cette longueur virtuelle permet au tronçon de l'élément rayonnant situé entre l'extrémité 6A du câble coaxial 6 et le filtre isolateur 14 d'émettre dans la bande haute fréquence.

    [0032] Ainsi, l'antenne filaire peut être tronçonnée en autant de bandes de fréquence que désirées, séparées par des filtres isolateurs dimensionnés en fonction de la fréquence centrale de chaque bande. L'élément rayonnant est alors dimensionné pour émettre des ondes hautes fréquences entre 3 MHz et 30 MHz.

    [0033] L'invention concerne également un système d'émission comportant un émetteur d'ondes de hautes fréquences comprises entre 3 MHz et 30 MHz et une antenne filaire telle que décrite précédemment pour émettre ces ondes. L'antenne filaire est connectée à l'émetteur.

    [0034] En outre, ce système d'émission comprend un récepteur d'ondes de très basses fréquences comprises entre 3 kHz et 30 kHz et de hautes fréquences comprises entre 3 MHz et 30 MHz. Le récepteur est connecté avec la même antenne filaire pour recevoir ces ondes.

    [0035] Le sous-marin 4 comporte un tel système d'émission pour émettre des ondes hautes fréquences.

    [0036] Le fonctionnement de l'antenne filaire va maintenant être détaillé en regard de la figure 3 qui représente une antenne filaire selon l'invention comprenant deux filtres isolateurs notés 14a et 14b. Chaque filtre isolateur comprend une inductance 16a, 16b et une capacité 18a, 18b, de valeurs respectives La, Lb, Ca et Cb.

    [0037] Le premier filtre isolateur 14a et le second filtre isolateur 14b sont placés respectivement à une distance L1 et L2 de l'extrémité 6A du câble coaxial 6 sur l'élément rayonnant 8 afin de le découper en trois tronçons.

    [0038] Le premier tronçon de l'élément rayonnant 8 de l'antenne filaire TBF situé entre l'extrémité 6A du câble coaxial 6 et le premier filtre isolateur 14a est noté ER1 et forme un premier élément rayonnant adapté pour émettre une onde de fréquence F1 égale à F12 = 1/(4π2LaCa) appartenant à la bande haute fréquence.

    [0039] De même, le second tronçon situé entre l'extrémité 6A du câble coaxial 6 et le second filtre isolateur 14b est noté ER2 et forme un second élément rayonnant adapté pour émettre une onde de fréquence F2 égale à F22 = 1/(4π2LbCb) appartenant à la bande haute fréquence et plus grande que F1.

    [0040] En effet, autour de la fréquence de résonnance du circuit électrique de chaque filtre isolateur, seul le tronçon placé avant le filtre isolateur rayonne les signaux à haute fréquence. La partie placée après le filtre est isolée.

    [0041] Lorsque le système de commutation 12 est dans la position de commutation adaptée au fonctionnement en haute fréquence, le sous-marin émet l'onde à la fréquence HF désirée qui est transmise à l'élément rayonnant 8 par le câble coaxial 6. En fonction de la fréquence HF de l'onde, le premier tronçon ER1 ou le deuxième tronçon ER2 rayonne vers un récepteur de l'onde.

    [0042] Par exemple, il peut être nécessaire d'avoir trois bandes de fréquence dans la gamme haute fréquence pour la communication des sous-marins : entre 20 MHz et 24 MHz, 12 MHz et 15 MHz et entre 5 MHz et 7 MHz.

    [0043] Si l'une des bandes correspond à la longueur totale de l'antenne TBF utilisée en haute fréquence, seuls deux autres filtres sont nécessaires. Sinon trois filtres seront nécessaires afin de découper l'élément rayonnant de l'antenne filaire en trois tronçons.

    [0044] Pour recevoir dans la bande TBF, le système de commutation 12 dans le sous-marin est positionné/activé dans la position de fonctionnement en très basse fréquence.

    [0045] Les circuits électriques des filtres isolateurs sont alors transparents dans la bande de fréquence TBF, et assurent à l'antenne filaire les mêmes performances qu'auparavant dans cette bande.

    [0046] Ainsi, une bonne adaptation d'impédance est réalisée pour les deux bandes de fréquence : haute fréquence (émission et réception) et très basse fréquence (réception).

    [0047] On comprend alors que l'antenne filaire selon l'invention est apte à fonctionner en émission dans le domaine haute fréquence et en réception dans les domaines très basse fréquence et haute fréquence.

    [0048] Selon l'invention, l'adaptation est faite de manière simple par rapport aux boîtes d'adaptation et fixe pour une pluralité de fréquences centrales de travail, de préférence deux ou trois, réparties dans la bande haute fréquence.


    Revendications

    1. Système d'émission comprenant:

    - un émetteur d'ondes de hautes fréquences comprises entre 3 MHz et 30 MHz ;

    - une antenne filaire (2) pour sous-marin (4) configurée pour émettre ces ondes, comprenant un câble coaxial (6) et un élément rayonnant (8) flottant dont une extrémité est reliée au câble coaxial (6), l'élément rayonnant (8) étant dimensionné pour recevoir des ondes très basses fréquences entre 3 kHz et 30 kHz, l'antenne (2) comprenant :

    + un système de commutation (12) connecté électriquement au câble coaxial (6) et permettant de commuter entre un fonctionnement en haute fréquence et un fonctionnement en très basse fréquence ;

    + au moins un filtre isolateur (14) interposé électriquement entre deux tronçons rayonnants de l'élément rayonnant (8), le ou chaque filtre isolateur (14) étant un circuit bouchon, de sorte que l'élément rayonnant (8) est adapté pour émettre des ondes hautes fréquences, entre 3 MHz et 30 MHz ; et

    - un récepteur d'ondes de très basses fréquences comprises entre 3 kHz et 30 kHz et de hautes fréquences comprises entre 3 MHz et 30 MHz, le récepteur étant connecté avec ladite antenne filaire pour recevoir ces ondes.


     
    2. Système d'émission selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou chaque filtre isolateur (14) est disposé, relativement à l'extrémité de l'élément rayonnant (8) reliée au câble coaxial (6), à une distance égale au quart ou aux trois-quarts d'une longueur d'onde d'une onde haute fréquence à émettre.
     
    3. Système d'émission selon la revendication 2, caractérisé en ce que la ou chaque distance est comprise entre le quart de la longueur d'onde d'une onde haute fréquence dans l'eau et le quart de la longueur d'onde d'une onde haute fréquence dans l'air.
     
    4. Système d'émission selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'antenne filaire comprend au moins un premier et un second filtres isolateurs (14) disposés successivement le long de l'élément rayonnant (8) de l'antenne filaire (2).
     
    5. Système d'émission selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'antenne filaire (2) a une longueur sensiblement comprise entre 10 et 40 m.
     
    6. Système d'émission selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les filtres isolateurs (14) sont au moins au nombre de deux, l'élément rayonnant (8) étant adapté pour émettre des ondes hautes fréquences dans au moins trois bandes de fréquence, dont une première bande de fréquence entre 20 MHz et 24 MHz, une deuxième bande de fréquence entre 12 MHz et 15 MHz, et une troisième bande de fréquence entre 5 MHz et 7 MHz.
     
    7. Véhicule sous-marin caractérisé en ce qu'il comporte un système d'émission selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
     


    Ansprüche

    1. Sendesystem, aufweisend:

    - einen Sender von Wellen hoher Frequenzen, die zwischen 3 MHz und 30 MHz liegen,

    - eine Drahtantenne (2) für ein Unterseeboot (4), welche dazu eingerichtet ist, diese Wellen auszusenden, mit einem Koaxialkabel (6) und einem schwimmenden Abstrahlelement (8), dessen eines Ende mit dem Koaxialkabel (6) verbunden ist, wobei das Abstrahlelement (8) dazu dimensioniert ist, Wellen sehr niedriger Frequenzen zwischen 3 kHz und 30 kHz zu empfangen, wobei die Antenne (2) aufweist:

    + ein Umschaltsystem (12), welches elektrisch mit dem Koaxialkabel (6) verbunden ist und welches die Umschaltung zwischen einem Betrieb bei hoher Frequenz und einem Betrieb bei sehr niedriger Frequenz erlaubt,

    + mindestens einen Isolator-Filter (14), welcher elektrisch zwischen zwei Abstrahlabschnitten des Abstrahlelements (8) angeordnet ist, wobei der oder jeder Isolator-Filter (14) ein Parallelresonanzkreis derart ist, dass das Abstrahlelement (8) dazu eingerichtet ist, Wellen hoher Frequenzen, die zwischen 3 MHz und 30 MHz liegen, auszusenden, und

    - einen Empfänger von Wellen sehr niedriger Frequenzen, die zwischen 3 kHz und 30 kHz liegen, und von Wellen hoher Frequenzen, die zwischen 3 MHz und 30 MHz liegen, wobei der Empfänger mit der Drahtantenne in Verbindung steht, um diese Wellen zu empfangen.


     
    2. Sendesystem gemäß dem Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der oder jeder Isolator-Filter (14), bezogen auf das mit dem Koaxialkabel (6) verbundene Ende des Abstrahlelements (8), in einem Abstand angeordnet ist, welcher gleich einem Viertel oder Dreiviertel einer Wellenlänge einer zu sendenden Welle hoher Frequenz ist.
     
    3. Sendesystem gemäß dem Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass der oder jeder Abstand zwischen dem Viertel der Wellenlänge einer Welle hoher Frequenz im Wasser und dem Viertel der Wellenlänge einer Welle hoher Frequenz in der Luft liegt.
     
    4. Sendesystem gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Drahtantenne mindestens einen ersten und einen zweiten Isolator-Filter (14) aufweist, welche nacheinander entlang des Abstrahlelements (8) der Drahtantenne (2) angeordnet sind.
     
    5. Sendesystem gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Drahtantenne (2) eine Länge hat, welche im Wesentlichen zwischen 10 und 40m beträgt.
     
    6. Sendesystem gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Isolator-Filter (14) mindestens in der Zahl von zwei vorliegen, wobei das Abstrahlelement (8) dazu eingerichtet ist, Wellen hoher Frequenz in mindestens drei Frequenzbändern auszusenden, von denen ein erstes Frequenzband zwischen 20 MHz und 24 MHz beträgt, ein zweites Frequenzband zwischen 12 MHz und 15 MHz beträgt und ein drittes Frequenzband zwischen 5 MHz und 7 MHz beträgt.
     
    7. Unterwasserfahrzeug, gekennzeichnet dadurch, dass es ein Sendesystem gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
     


    Claims

    1. A transmission system comprising :

    - a transmitter of waves with high frequencies comprised between 3 MHz and 30 MHz;

    - a wire antenna (2) for submarines (4) configured for transmitting these waves, comprising a coaxial cable (6) and a floating radiating element (8), one end of which is connected to the coaxial cable (6), the radiating element (8) being dimensioned for receiving very low frequency waves between 3 kHz and 30 kHz, the antenna (2) comprising :

    + a switching system (12) electrically connected to the coaxial cable (6) and allowing switching between an operation at high frequency and an operation at very low-frequency;

    + at least one isolation filter (14) electrically interposed between two radiating sections of the radiating element (8), the or each isolation filter (14) being a plug circuit, so that the radiating element (8) is adapted to transmit high frequency waves, between 3 MHz and 30 MHz; and

    - a receiver for waves of very low frequencies comprised between 3 kHz and 30 kHz and of high frequencies comprised between 3 MHz and 30 MHz, the receiver being connected with the said wire antenna for receiving these waves.


     
    2. The transmission system according to claim 1, characterized in that said or each isolation filter (14) is positioned, relative to the end of the radiating element (8) connected to the coaxial cable (6), at a distance equal to the quarter or three quarters of a wavelength of a high frequency wave to be transmitted.
     
    3. The transmission system according to claim 2, characterized in that said or each distance is comprised between the quarter of the wavelength of a high frequency wave in water and the quarter of the wavelength of a high frequency wave in air.
     
    4. The transmission system according to any of claims 1 to 3, characterized in that it comprises at least first and second isolation filters (14) successively positioned along the radiating element (8) of the wire antenna (2).
     
    5. The transmission system according to any of claims 1 to 4, characterized in that the wire antenna (2) has a length substantially comprised between 10 and 40 m.
     
    6. The wire transmission system according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the isolation filters (14) are at least two in number, the radiating element (8) being adapted to transmit high-frequency waves in at least three frequency bands, including a first frequency band between 20 MHz and 24 MHz, a second frequency band between 12 MHz and 15 MHz, and a third frequency band between 5 MHz and 7 MHz.
     
    7. A submarine vehicle characterized in that it includes a transmission system according to any of claims 1 to 6.
     




    Dessins









    RÉFÉRENCES CITÉES DANS LA DESCRIPTION



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