[0001] La présente invention se rapporte à une antenne radioélectrique élémentaire miniaturisée,
destinée en particulier aux ondes V.H.F. et U.H.F., c'est à dire aux ondes comprises
dans une gamme de fréquence couvrant depuis la petite centaine de Mégahertz jusqu'à
quelques Gigahertz seulement. Une telle antenne est en particulier destinée à équiper
un satellite de radio-communications.
[0002] Les antennes V.H.F. ou U.H.F. les plus anciennement utilisées sont les antennes filaires.
A ces fréquences relativement basses, ces antennes ont des dimensions importantes,
ce qui est très pénalisant en poids et encombrement pour un satellite. En outre, justement
en raison de cet encombrement important, elles doivent être repliées pour le stockage
et lors du lancement du satellite, puis déployées lorsque ce dernier est finalement
en orbite. Ceci nécessite de prévoir un mécanisme de déploiement complexe, coûteux,
encombrant, lourd, et de plus sujet à un risque de panne lors de son actionnement
une fois le satellite mis en orbite.
[0003] Il paraît donc finalement très souhaitable de miniaturiser au maximum ces antennes
pour V.H.F. et U.V.F., et une solution qui peut venir à l'esprit pour celà est d'utiliser
la technique, maintenant très en vogue, des antennes imprimées sur substrat, du genre
"patch" consistant en un carré conducteur séparé d'un plan de masse par un substrat
diélectrique de faible épaisseur et de permittivité Er. Ce carré conducteur est déposé
sur le substrat par une technique classique de circuit imprimé, et son côté a classiquement
pour longueur approximative:
où L est la longueur d'onde de l'onde émise ou captée par cette antenne imprimée.
[0004] Dans l'air, on obtient pour ces antennes, et aux fréquences qui nous intéressent
ici, des dimensions encore beaucoup trop importantes.
[0005] L'utilisation d'un substrat à constante diélectrique Er élevée, tel que l'Alumine,
permet de réduire ces dimensions, mais de manière encore insuffisante. De plus, une
permittivité élevée pénalise considérablement les qualités de rayonnement d'une telle
antenne, de sorte qu'une telle solution est finalement discutable.
[0006] Il existe bien des diélectriques de permittivité encore plus élevée, telles que les
céramiques frittées, mais l'utilisation de tels matériaux n'est absolument pas actuellement
envisageable sur le plan industriel. De plus, les performances de rayonnement de telles
antennes seraient encore plus dégradées.
[0007] L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle se rapporte à cet effet à une
antenne radioélectrique élémentaire miniaturisée, en particulier pour gammes d'ondes
V.H.F. et U.H.F., qui se caractérise :
. en ce qu'elle se compose d'une ou plusieurs fentes rayonnantes de dimensions très
inférieures à celles des fentes rayonnantes résonnantes pour la ou les fréquences
de fonctionnemehnt de cette antenne, et donc fonctionnant bien en deça de la résonance,
cette ou ces fentes étant pratiquées sur une des deux grandes faces d'une cavité,
cette cavité étant elle-aussi de dimensions très inférieures à celle d'une cavité
résonnante pour cette ou ces fréquences de fonctionnement;
. et en ce que son ou ses accès est ou sont chacun couplés à la ligne correspondante
à travers au moins un circuit d'adaptation d'impédance.
[0008] De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques
ressortiront, lors de la description suivante de quelques exemples non limitatifs
de réalisation de cette antenne non-résonnante miniaturisée, en référence au dessin
annexé dans lequel :
. Figure 1 est une vue en plan d'une forme simple de réalisation de cette antenne
élémentaire;
. Figure 2 représente ce même élément rayonnant, en coupe selon II-II de Figure 1
;
. Figure 3 est un schéma synoptique de branchement de cette antenne ;
. Figures 4,5, et 6, montrent, de même façon qu'en Figure 1, trois autres configurations
utilisant plusieurs fentes parallèles sur une même cavité;
. Figures 7 à 10 montrent de même façon des possibilités de réalisation et excitation
d'un élément rayonnant comportant deux fentes orthogonales;
. Figure 11 montre de même une configuration bi-polarisation et comportant plusieurs
fentes pour chaque polarisation; et
. Figure 12 montre enfin une configuration multi-fentes, bi-polarisations, et bi-fréquences.
[0009] En se référant aux figures 1 et 2, cette antenne élémentaire miniaturisée se compose
d'une cavité plate 1, par exemple en Aluminium et de section rectangulaire, avec par
exemple 10 à 15 centimètres de côté et une faible hauteur (pour minimiser l'encombrement)
de par exemple 5 centimètres, et dont une des grandes faces, par exemple la face supérieure
2 est ajourée d'une fine fente rayonnante 3 qui est, conformément à l'invention, dimensionnée
totalement en deçà de la résonance : au lieu d'avoir une longueur égale à la demi-longueur
d'onde, soit L/2, sa longueur est une bien plus petite fraction de celle-ci, par exemple
de l'ordre de L/10 ou même L/20.
[0010] On constate que les caractéristiques de rayonnement d'une telle fente 3, couplée
à cette cavité 2 quelles que soient précisément les dimensions de cette dernière,
restent très acceptables bien que l'ensemble fonctionne totalement en deçà de la résonance.
[0011] L'excitation de la fente 3 est réalisée d'une manière classique, par exemple par
une sonde 4 qui prolonge l'âme d'une ligne tri-plaque 5 branchée à la cavité 1 par
l'intermédiaire d'un connecteur 6.
[0012] Bien sur, une telle antenne est, contrairement aux antennes résonnantes de l'art
antérieur, désadaptée en impédances, et selon l'invention, un circuit d'adaptation
d'impédances, en soi pouvant être très classique, est prévu entre l'antenne et la
ligne principale d'alimentation correspondante.
[0013] La figure 3 représente le schéma synoptique du circuit de branchement de cette antenne
1,3 à sa ligne principale 7, représentée sous forme de quadripôle. Un circuit d'adaptation
d'impédances 8 est donc prévu entre l'antenne 1,3 et cette ligne principale 7, pour
remédier à la désadaptation en impédance de cette antenne.
[0014] A priori, les dimensions de la fente 3 et de la cavité associée 1 peuvent être quelconques,
pourvu qu'elles soient très inférieures à celles qui correspondent à la condition
de résonance. Cependant, le tracé des diagrammes de rayonnement de cette antenne pour
diverses fréquences comprises dans la gamme V.H.F-U.H.F montre qu'il existe des fréquences
pour lesquelles ce diagramme présente un creux dans la direction axiale du rayonnement,
et un lobe prépondérant de part et d'autre de celle-ci, à environ 40 à 60 degrés.
[0015] Une telle caractéristique est particulièrement avantageuse dans le cas d'antennes
embarquées sur un satellite, car elle coîncide alors avec le diagramme de rayonnement
optimal, de sorte que finalement il sera quelquefois judicieux de choisir une longueur
de fente qui fournisse, pour la ou les fréquences VHF ou UHF utilisées, un diagramme
de ce type, c'est-à-dire présentant un creux pour la direction de rayonnement axiale,
ce creux définissant deux lobes latéraux de part et d'autre à environ 40 à 60 degrés.
[0016] Il n'existe pas de méthode simple de calcul pour la détermination des dimensions
optimales satisfaisant à cette condition, mais celles-ci peuvent être aisément optimisées
par des essais et mesures en laboratoire.
[0017] Le dispositif de base qui vient d'être décrit n'est, bien entendu, pas le seul envisageable,
et les figures 4 à 12 qui seront maintenant décrites illustrent quelques variantes
d'exécution de cette antenne parmi beaucoup d'autres.
[0018] La réalisation selon la figure 4 se différencie de celle selon la figure 1 par le
fait que la fente unique 3 est remplacée par un réseau de cinq fentes 3A à 3E parallèles
et identiques, ce qui permet d'obtenir une antenne avec un meilleur gain et une meilleure
gestion du diagramme de rayonnement.
[0019] L'antenne selon la figure 5 comporte sept fentes parallèles, dont une fente centrale
3F qui est la plus longue de toutes et, disposées symétriquement de part et d'autre
de celle-ci, trois paires de fentes de longueurs décroissantes au fur et à mesure
que l'on s'écarte de cette fente centrale 3F :
. une première paire de fentes identiques 3G,3H;
. une seconde paire de fentes identiques 3I,3J; et
. une troisième paire de fentes identiques 3K,3L.
[0020] Une antenne de ce type est utilisable soit pour obtenir une loi de distribution correspondant
à un diagramme bien déterminé, soit pour rayonner sur quatre fréquences déterminées
avec un seul et même circuit d'adaptation d'impédances.
[0021] Selon Figure 6, une antenne multi-fentes peut comporter, par exemple pour obtenir
un diagramme de rayonnement déterminé, plusieurs fentes parallèles 3M,3N,3P,3Q, qui
sont décalées l'une par rapport à l'autre dans le sens latéral, c'est à dire dans
le sens orthogonal à la sonde 4.
[0022] Les antennes décrites jusqu'alors sont faites pour rayonner une polarisation linéaire.
Il est également possible, selon Figures 7 à 10 par exemple, de réaliser une antenne
conforme à l'invention et prévue pour rayonner une polarisation circulaire.
[0023] Selon Figure 7, la cavité est ajourée de deux fentes identiques 3R,3S qui sont orthogonales
l'une à l'autre et disposées en croix grèque dont le centre coïncide avec celui de
la surface carrée 2.
[0024] La fente 3R est alimentée par une sonde 4A qui lui est orthogonale, tandis que la
fente 3S est alimentée de façon similaire par une autre sonde 4B. Les deux sondes
4A,4B sont donc orthogonales. Pour que l'onde rayonnée par la fente en croix 3R,3S
soit de polarisation circulaire, ces deux sondes 4A,4B sont alimentées par des ondes
de même fréquence et en quadrature de phase.
[0025] A noter que des perturbations sont à craindre en raison des colinéarités de la sonde
4A et de la fente 3S d'une part, ainsi que de la sonde 4B et de la fente 3R d'autre
part.
[0026] Pour éviter ces perturbations, plusieurs variantes de l'antenne selon Figure 7 sont
réalisables:
. selon Figure 8, les sondes 4A et 4B précitées sont décalées d'un angle a par rapport
à la normale à la fente, respectivement 3R et 3S, qu'elles alimentent. Par exemple,
cet angle a est de l'ordre de 45 degrés.
. Selon Figure 9, les sondes d'alimentation 4A et 4B sont décalées latéralement par
rapport au point milieu de la fente, 3R et 3S respectivement, qu'elles alimentent
et à laquelle elles sont respectivement orthogonales.
. Enfin, selon Figure 10, l'optimum est atteint pour éviter toute interférence par
le fait qu'en outre, par rapport à la figure 9, les fentes 3R et 3S sont elles aussi
décalées l'une par rapport à l'autre de manière à ne plus être sécantes, bien que
restant orthogonales.
[0027] La figure 11 montre une autre variante de cette antenne, qui comporte deux sondes
d'alimentation orthogonales 4A,4B alimentant chacune un réseau 3T,3U de fentes parallèles
et toutes identiques. On obtient ainsi une antenne à bi-polarisation et multi-fentes.
[0028] Enfin, la figure 12 montre une variante de cette antenne à deux polarisations et
à deux réseaux 3T,3U de fentes, pour laquelle les fentes du réseau 3T sont nettement
moins longues que celles du réseau 3U. Une telle antenne est souhaitable dans le cas
d'une antenne prévue pour rayonner deux ondes de fréquences très différentes et à
polarisations orthogonales.
[0029] Comme il va de soi, l'invention n'est nullement limitée aux exemples de réalisation
qui viennent d'être décrits. C'est ainsi par exemple qu'il est possible de miniaturiser
d'avantage cette antenne élémentaire en remplissant totalement ou partiellement la
cavité 1 d'un matériau diélectrique, tel que de l'Alumine par exemple. La section
de cette cavité peut bien entendu être circulaire, ou autre, au lieu de rectangulaire.
1. Antenne radioélectrique élémentaire miniaturisée,en particulier pour ondes V.H.F.
et U.H.F., caractérisée:
. en ce qu'elle se compose d'une ou plusieurs fentes rayonnantes (3) de dimensions
très inférieures à celles des fentes normalement résonnantes pour la ou les fréquences
de fonctionnement de cette antenne, et donc fonctionnant bien en deçà de la résonance,
cette ou ces fentes (3) étant pratiquées sur une des deux grandes faces (2) d'une
cavité (1), cette cavité étant elle-aussi de dimensions très inférieures à celle d'une
cavité résonnante pour cette ou ces fréquences de fonctionnement; et
. en ce que son ou ses accès (5) est ou sont chacun couplés à la ligne correspondante
(7) à travers au moins un circuit (8) d'adaptation d'impédances.
2. Antenne radioélectrique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte
plusieurs fentes parallèles (3A à 3E).
3. Antenne radioélectrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les fentes
parallèles (3F à 3L) sont de longueurs choisies, afin de réaliser par exemple une
antenne fonctionnant selon plusieurs fréquences déterminées, mais avec un seul et
même circuit (8) d'adaptation d'impédances.
4. Antenne selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que ces fentes parallèles
(3M,3N,3P,3Q) sont décalées l'une par rapport à l'autre.
5. Antenne selon la revendication 1, cette antenne étant apte à rayonner une polarisation
circulaire, caractérisée en ce qu'elle comporte deux fentes identiques (3R,3S) disposées
en croix grèque.
6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que les alimentations respectives
(4A,4B) de ces deux fentes (3R,3S) sont décalées angulairement par rapport à la normale
à la fente (3R,3S) qu'elles alimentent respectivement.
7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que ce décalage angulaire (a)
est de l'ordre de 45 degrés.
8. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que les alimentations respectives
(4A,4B) de ces deux fentes (3R,3S) sont décalées latéralement par rapport au point
milieu de la fente (3R,3S) qu'elles alimentent respectivement.
9. Antenne selon la revendication 1, cette antenne étant apte à rayonner une polarisation
circulaire, caractérisée en ce qu'elle comporte deux fentes 3R,3S identiques, orthogonales,
et non-sécantes.
10. Antenne selon la revendication 1 cette antenne étant à polarisations orthogonales,
caractérisée en ce qu'elle comporte un réseau de fentes parallèles (3U,3T) par polarisation.
11. Antenne selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que sa cavité (1)
est totalement ou partiellement remplie d'un matériau diélectrique.
12. Antenne selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les dimensions
de la ou des fentes (3) sont choisies pour obtenir un diagramme de rayonnement présentant
un creux pour la direction de rayonnement axiale, ce creux définissant deux lobes
latéraux à environ 40 à 60 degrés de part et d'autre de cette direction axiale.