STRUCTURE ANTENNAIRE OMBILICALE

Abstract

 L'invention concerne une structure antennaire (60) pour porteur (2) relié à une station (1) par un câble coaxial (6) caractérisé en ce qu'elle comporte au moins les éléments suivants :
• une coupure (30) délimitant une première partie (3s) de longueur H1 et une deuxième partie (3i) de longueur H2, formant un élément rayonnant (3) isolé d'un deuxième tronçon (4) au moyen d'un isolateur de courant (34),
• Au niveau de la coupure (30), l'âme (65) du câble coaxial de la face inférieure (32) de la coupure (30) est reliée à la tresse (63) du coaxial de la face supérieure (31) de la coupure (30) et l'âme (65) du câble coaxial de la face supérieure (31) de la coupure (30) est reliée à la tresse (63) du coaxial de la face inférieure (32) de la coupure (30),
• La première partie supérieure (3s) comporte un évidement (36) dans le câble coaxial (6) adapté à insérer un court-circuit (33) pour les signaux dont la fréquence est égale à la fréquence de travail.

Description

[0001] L'invention concerne un système rayonnant très haute fréquence et ultra haute fréquence ou V-UHF permettant d'assurer l'alimentation en énergie électrique d'un engin volant auquel il est associé. Elle concerne une structure antennaire ombilicale pour engin volant, tel qu'un drone. L'invention trouve son application dans des systèmes de radio VHF-UHF à haut débit. Elle est notamment utilisée dans des gammes de fréquence (30-88 MHz), (225-400 MHz).

[0002] Les engins volants tels que les drones sont souvent équipés d'antennes permettant d'émettre ou de recevoir des signaux. Ces engins pour fonctionner doivent aussi être alimentés en énergie. Cette alimentation peut être effectuée grâce à une batterie équipant l'engin volant mais, cette dernière ayant une autonomie limitée, la plupart du temps les engins sont alimentés grâce à un câble apportant l'énergie et relié à une station terrestre.

[0003] D'autre part, l'installation d'une antenne au niveau de l'engin volant ou de l'engin captif peut entraîner un surdimensionnement de l'engin, et/ou une instabilité de vol. Lorsque l'antenne est installée sous l'engin captif, il est alors nécessaire de prendre en compte l'encombrement au sol.

[0004] Le brevet FR 2 278 571 décrit un exemple d'engin captif équipé d'une antenne. La figure 1 représente un engin volant A relié à une station terrestre mobile B. L'engin volant comprend une charge utile C, telle qu'une caméra, un équipement radio, une antenne, des pâles de sustentation D, D', un câble d'attache E connu sous le terme anglo-saxon « tether » qui permet de relier la charge utile C à la station terrestre et ne sert pas à amener de l'énergie électrique à l'engin volant. La station comporte un treuil T permettant d'enrouler et de dérouler le câble, une plateforme P de lancement et d'atterrissage de l'engin volant. Dans cet exemple, l'élément rayonnant est disjoint du cordon d'alimentation.

[0005] Un autre exemple est donné dans la demande de brevet US 2002/0167702 qui présente une liaison physique dédiée indépendante des liaisons nécessaires à la charge utile. Le téther comporte des fils amenant de l'énergie électrique.

[0006] La demande de brevet US 2003/0222811 décrit un système antennaire relié par un câble ou tether.

[0007] Les systèmes de l'art antérieur présentent donc notamment les inconvénients suivants :

• Une autonomie limitée si l'énergie pour assurer le maintien en vol de l'engin est embarquée à bord, par exemple l'énergie fournie par une batterie, un stockage inertiel,
• Un surdimensionnement de l'engin prenant en compte la masse de l'antenne et la masse du câble d'alimentation.

[0008] Il existe à l'heure actuelle un besoin de disposer d'une structure permettant d'assurer à la fois la fonction d'élément rayonnant et aussi l'alimentation en énergie de l'engin volant.

[0009] Dans la suite de la description, on utilise indifféremment l'expression «engin volant», «engin captif», «porteur» pour désigner un même objet relié à une station par un câble.

[0010] La structure selon l'invention présente notamment deux fonctionnalités, elle assure une fonctionnalité d'élément rayonnant et une fonction d'alimentation en énergie nécessaire au fonctionnement d'un engin volant.

[0011] L'invention concerne une structure antennaire pour porteur relié à une station par un câble coaxial jouant un rôle d'attache et d'alimentation en énergie, ledit câble coaxial comprenant une âme et une tresse, une première extrémité reliée à la station comprenant un émetteur/récepteur, une source d'alimentation et une deuxième extrémité du câble coaxial est reliée au porteur, la structure antennaire est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins les éléments suivants:

• Sur au moins un premier tronçon de câble, le câble coaxial comprend une coupure délimitant une première partie supérieure de câble de longueur H1 et une deuxième partie inférieure de câble de longueur H2, les deux parties formant un élément rayonnant isolé d'un deuxième tronçon de câble au moyen d'un dispositif isolateur de courant,
• Au niveau de la coupure, l'âme du câble coaxial de la face inférieure de la coupure est reliée à la tresse du coaxial de la face supérieure de la coupure et l'âme du câble coaxial de la face supérieure de la coupure est reliée à la tresse du coaxial de la face inférieure de la coupure,
• La première partie supérieure de câble comporte un évidement ou cavité dans le câble coaxial, la géométrie et les dimensions de l'évidement sont adaptés à insérer un dispositif jouant un rôle de court-circuit pour les signaux RF dont les fréquences sont égales aux fréquences de travail de l'élément antennaire.

[0012] Pour la valeur de fréquence centrale de travail de l'élément rayonnant, la valeur de H1 est choisie égale au quart de la longueur d'onde dans l'air λ/4, la valeur de H3 est égale au quart de la longueur d'onde λg/4 dans le diélectrique constituant le câble coaxial, la valeur H2 est égale à H1.

[0013] Le dispositif isolateur de courant est, par exemple, constitué de perles de ferrites.

[0014] Selon une variante de réalisation, le porteur est équipé d'un connecteur axial monté sur un châssis isolant adapté à un connecteur coaxial équipant l'extrémité supérieure du câble coaxial de la structure antennaire.

[0015] La station peut comporter un treuil pour enrouler le câble coaxial et un joint tournant solidaire du treuil adapté à assurer une liaison électrique et une liaison radioélectrique pendant l'enroulement du câble.

[0016] Selon une variante de réalisation, l'âme du câble coaxial au niveau de la face inférieure de la coupure est reliée à la tresse du coaxial au niveau de la face supérieure de la coupure au moyen d'un dispositif comprenant un transformateur d'impédance et l'âme est isolée galvaniquement de la face inférieure par une capacité.

[0017] Selon une autre variante de réalisation, la tresse du coaxial au niveau de la face inférieure de la coupure est reliée à travers une self à l'âme du coaxial au niveau de la face supérieure de la coupure.

[0018] Le dispositif isolateur de courant est, par exemple, constitué d'un bobinage du câble coaxial autour d'un noyau souple.

[0019] La station peut comporter un coupleur avec la structure antennaire, le coupleur est caractérisé en ce qu'il est constitué d'un filtre passe haut en série avec une première entrée du coupleur et un filtre passe bas en série avec une deuxième entrée du coupleur, une sortie reliée à l'extrémité du câble.

[0020] Le filtre passe haut est, par exemple, constitué d'un réseau en T composé de deux capacités et d'une inductance, et le filtre passe bas est un réseau en T composé de deux inductances et d'une capacité.

[0021] Selon une variante de réalisation, l'élément antennaire est adapté à travailler en très haute fréquence VHF ou ultra haute fréquence UHF.

[0022] L'invention concerne aussi un dispositif comportant une structure antennaire selon l'invention, ladite structure antennaire étant associée, attachée, à un engin volant captif situé à une altitude donnée par rapport à une station terrestre.

[0023] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent :

• La figure 1, un exemple de structure antennaire selon l'art antérieur,
• La figure 2, une représentation du déploiement d'un système antennaire selon l'invention,
• La figure 3, un exemple de réalisation de la structure antennaire et d'alimentation en énergie,
• La figure 4, une première variante de réalisation de la connexion,
• La figure 5, un moyen d'enroulement du câble,
• La figure 6, un exemple de structure permettant d'élargir la bande passante,
• La figure 7, une variante de réalisation de la structure de la figure 6,
• La figure 8, une alternative pour réaliser l'isolation entre l'élément rayonnant et le reste du câble coaxial, et
• La figure 9, une variante pour le coupleur de l'engin volant.

[0024] La figure 2 représente un exemple de déploiement d'un système antennaire selon l'invention. Une station terrestre mobile 1 est en liaison grâce à un système antennaire 60 selon l'invention à un engin captif 2. La station terrestre comporte une plateforme de parcage 7 et un treuil 9 sur lequel est fixée une première extrémité 6A du système antennaire. Une deuxième extrémité 6B du système antennaire est fixée à l'engin captif par des moyens appropriés 8. La structure antennaire 60 détaillée à la figure 3 comporte une première partie 4 qui permet notamment d'alimenter en énergie l'engin captif et une deuxième partie 3 correspondant à un élément rayonnant comparable à une antenne dans sa fonctionnalité. La structure antennaire 60 selon l'invention qui va être décrite sert de câble d'alimentation RF, elle amène la puissance radiofréquence depuis un poste émetteur/récepteur 11 situé sur la station terrestre 1 jusqu'à l'élément rayonnant disposé en hauteur par rapport à la station terrestre. Elle amène aussi la puissance électrique depuis une source d'énergie 12 située sur la station terrestre mobile 1. La source d'énergie 12 peut être à courant continu DC ou à courant alternatif AC.

[0025] L'engin captif 2 comporte par exemple un ou plusieurs moteurs de sustentation 21, un dispositif de découplage 23, un câble bifilaire 24 d'alimentation électrique.

[0026] Le système antennaire selon l'invention comprend notamment un câble coaxial d'attache comprenant une coupure 30, une capacité 33 de mise à la masse et un dispositif 34 jouant le rôle d'isolateur de courant pour l'élément rayonnant 3, l'isolateur étant disposé entre la première partie 4 et la deuxième partie 3. Le câble d'attache unique 6 alimente l'engin captif 2 en énergie électrique et transporte la puissance RF sur uniquement deux fils conducteurs. La capacité 33 joue un rôle de court-circuit pour les signaux RF dont les fréquences sont égales aux fréquences de travail de l'antenne.

[0027] La figure 3 détaille les différents éléments et modules constituant la structure antennaire selon l'invention.

[0028] L'engin captif 2, par exemple un micro drone de type hexacoptère, dispose pour sa sustentation d'un ou plusieurs moteurs électriques 21 alimentés à partir d'une liaison électrique par câble filaire 24 isolé radio-électriquement par un dispositif de découplage 23 connu de l'homme du métier, par exemple un bobinage 22 autour d'un noyau magnétique non explicité pour simplifier la description.

[0029] La station terrestre 1 comporte par exemple un poste radio émetteur/récepteur 11 fonctionnant préférentiellement dans les bandes de fréquences VHF ou UHF (30MHz à 3GHz) et une source d'énergie électrique à courant continu ou à courant alternatif 12. La sortie 11 s de l'émetteur/récepteur 11 est reliée à une première entrée 13₂ du coupleur 13. Le coupleur 13 est constitué d'un filtre passe haut schématisé par une capacité 14 disposée en série avec l'entrée RF 13₂ et un filtre passe bas représenté par une self 15 en série avec une deuxième entrée 13₃ du coupleur 13.

[0030] Le câble coaxial 6 jouant le rôle de câble d'attache comporte une tresse en fil conducteur électrique 63 formant une gaine, une âme conducteur 65 et un matériau diélectrique 64 remplissant l'espace entre la gaine 63 et l'âme 65, une première extrémité inférieure 61 du câble coaxial 6 est connectée au coupleur 13 en reliant une première extrémité 61₁ de l'âme 65 à la sortie 13₁ du coupleur 13 et une deuxième extrémité 61₂ de la gaine 63 à la masse M du système. La deuxième extrémité 62 ou extrémité supérieure du câble est reliée à un dispositif de découplage 23 situé au niveau de l'engin captif 2. Le câble peut s'enrouler sur un treuil (9 figure 2).

[0031] La structure antennaire selon l'invention est composée du câble coaxial 6 dans lequel on va faire une coupure 30 ce qui va permettre d'obtenir une inversion de polarité et on va isoler la partie jouant le rôle d'élément rayonnant.

[0032] Sur la figure 3, la partie du câble jouant le rôle d'élément rayonnant porte la référence 3. Elle est obtenue en réalisant une coupure 30 dans le câble coaxial 6. La coupure 30 est par exemple protégée et maintenue mécaniquement par un manchon 39. On délimite le tronçon 3 formant l'élément rayonnant par un dispositif d'isolateur de courant 34 connu de l'homme du métier. Le tronçon 3 formant l'élément rayonnant est constitué d'un premier élément inférieur 3i situé entre la coupure 30 et l'élément isolateur de courant 34, un deuxième élément supérieur 3s situé entre le haut de la coupure 30 et l'extrémité supérieure 62 du câble coaxial 6.

[0033] La partie supérieure 3s a une longueur H1 et la partie inférieure 3i une longueur H2. La valeur de H2 est de préférence égale à la valeur H1.

[0034] Sur la partie 3 formant l'élément rayonnant, l'âme 65 du câble coaxial 6 au niveau de la face inférieure 32 de la coupure 30 est reliée à la tresse 63 du câble coaxial au niveau de la face supérieure 31 de la coupure correspondant à la face inférieure de l'élément 3s et l'âme 65 du câble coaxial de la face supérieure 31 de la coupure 30 est reliée à la tresse 63 du coaxial de la face inférieure 32 de la coupure 30. La coupure 30 sert à intervertir les conducteurs, l'âme 65 du bas se connecte en un point 65₂ en un point 63₁ de la tresse 63 du haut et inversement l'âme du haut se connecte en un point 65₁ au point 63₂ de la tresse du bas.

[0035] La valeur de H1 est de préférence choisie égale au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de travail, λ/4 avec λ la longueur d'onde dans l'air.

[0036] Pour réaliser l'isolation entre l'élément rayonnant 3 et la deuxième partie 4 du câble coaxial, on dispose une ou plusieurs perles 34 en matériau ferromagnétique, par exemple de la ferrite, maintenues par une gaine souple G. Les perles sont de préférence non jointives pour garder de la souplesse au câble à cet endroit, afin d'isoler le tronçon rayonnant du reste du câble.

[0037] Au niveau de la partie supérieure 3s du tronçon de l'élément rayonnant, à une distance H3 de la coupure 30, un évidement 36 est pratiqué dans le câble 6 pour positionner une capacité 33 dont la valeur est choisie pour réaliser un court-circuit des signaux RF à cet endroit. Tout autre dispositif pouvant assurer une fonction de court-circuit mais garantissant l'isolation galvanique, par exemple une ligne quart d'onde en circuit ouvert peut être utilisé à la place de la capacité. La distance H3 est de préférence égale au quart de la longueur d'onde dans le diélectrique, λg/4.

[0038] La figure 4 représente une variante de réalisation pour réaliser la connexion de la structure antennaire selon l'invention au niveau de l'engin volant.

[0039] L'extrémité supérieure 62 du câble coaxial 6 est équipée d'un connecteur coaxial standard 71 connu de l'homme du métier, par exemple un connecteur de type N représenté sur la figure, afin d'assurer une liaison mécanique et une connexion électrique avec l'engin volant 2.

[0040] L'engin volant 2 dispose d'un connecteur coaxial complémentaire 72 monté sur un châssis isolant 73 de celui-ci et branché directement au dispositif de découplage 23.

[0041] La figure 5 représente une autre variante pour la connexion du câble coaxial au niveau de la station terrestre 1. Dans cet exemple, l'extrémité 61 est connectée à un joint tournant coaxial 75 solidaire d'un treuil 74 tournant autour d'un axe 77 et permettant la liaison radioélectrique et électrique pendant l'enroulement du câble 6. Cette solution est facile et peu coûteuse.

[0042] La figure 6 donne un exemple de réalisation permettant d'élargir la bande passante utilisable. Au niveau de la coupure 30, la connexion 31 est effectuée à travers un transformateur d'impédance 41 connu de l'homme du métier et isolé galvaniquement de 32 par exemple au moyen d'une capacité 42 dont une première borne 42₁ est reliée à une borne 41₁ du transformateur d'impédance et une deuxième borne 42₂ est reliée à la tresse 63 de la partie 3i de l'élément rayonnant. La deuxième borne 41₂ du transformateur d'impédance 41 est reliée à la tresse 63 de la partie 3s supérieure de l'élément rayonnant. Le transformateur d'impédance 41 est en liaison avec l'âme 65 du deuxième tronçon 4 et en un point médian 41₃.

[0043] La figure 7 est une variante de réalisation de la figure 6 où la tresse du coaxial au niveau de la face inférieure 32 de la coupure 30 est reliée à travers une self 43 à l'âme du coaxial au niveau de la face supérieure 31 de la coupure.

[0044] La figure 8 représente une variante pour réaliser l'isolateur de courant 34. Les perles de ferrite 34 sont remplacées par un bobinage 35 du câble coaxial 6 autour d'un noyau souple 36. Le noyau souple est par exemple en matériau diélectrique ou en matériau magnétique.

[0045] La figure 9 représente une variante pour la réalisation du coupleur de façon à conserver une bonne adaptation d'impédance présentée à l'émetteur/récepteur. Dans cet exemple, le filtre passe haut utilise un réseau en T composé de deux capacités 14₁, 14₂ et d'une inductance 14₃, et le filtre passe bas composé de deux inductances 15₁, 15₂ et d'une capacité 15₃ utilise aussi un réseau en T.

[0046] La structure antennaire selon l'invention permet notamment d'augmenter la portée radio en surélevant en hauteur l'élément rayonnant ou antenne du système de radiocommunication en particulier pour la bande de fréquences VHF ou UHF (30-88 MHz) et (225-400 MHz). Elle permet le rayonnement d'une puissance RF de la bande V-UHF par le cordon d'alimentation en énergie électrique d'un engin volant captif.

[0047] La structure présente une faible masse, d'où la possibilité d'être soulevée par un micro engin volant, tel qu'un hexacoptère. Le câble coaxial étant un câble souple, il peut aisément être enroulé sur un treuil tout en restant connecté par l'emploi d'un joint adapté.

Revendications

1. Structure antennaire (60) pour porteur (2) relié à une station (1) par un câble coaxial (6) jouant un rôle d'attache et d'alimentation en énergie, ledit câble coaxial (6) comprenant une âme (65) et une tresse (63), une première extrémité (61) reliée à la station (1) comprenant un émetteur/récepteur (11), une source d'alimentation (12) et une deuxième extrémité (62) reliée au porteur caractérisée en ce que ladite structure antennaire comporte au moins les éléments suivants :

• Sur au moins un premier tronçon (3) le câble coaxial (6) comprend une coupure (30) délimitant une première partie supérieure (3s) de longueur H1 et une deuxième partie inférieure (3i) de longueur H2, la première partie supérieure (3s) et la deuxième partie inférieure (3i) formant un élément rayonnant (3), isolé d'un deuxième tronçon (4) au moyen d'un dispositif isolateur de courant (34),

• Au niveau de la coupure (30), l'âme (65) du câble coaxial de la face inférieure (32) de la coupure (30) est reliée à la tresse (63) du coaxial de la face supérieure (31) de la coupure (30) et l'âme (65) du câble coaxial de la face supérieure (31) de la coupure (30) est reliée à la tresse (63) du coaxial de la face inférieure (32) de la coupure (30),

• La première partie supérieure (3s) comporte un évidement (36) dans le câble coaxial (6) adapté à insérer un dispositif court-circuit (33) pour les signaux dont les fréquences sont égales à la fréquence de travail de la structure antennaire.

2. Structure antennaire selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'à la fréquence centrale de travail de l'élément rayonnant, la valeur de H1 est choisie égale au quart de la longueur d'onde dans l'air λ/4, H3 est égale au quart de la longueur d'onde λg/4 dans le diélectrique constituant le câble coaxial, H2 est égale à H1.

3. Structure antennaire selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que le dispositif isolateur de courant (34) est constitué de perles de ferrites.

4. Structure antennaire selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le porteur (2) est équipé d'un connecteur axial (72) monté sur un châssis isolant (73) adapté à un connecteur coaxial (71) équipant l'extrémité supérieure (62) du câble coaxial (6) de la structure antennaire (60).

5. Structure antennaire selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la station (1) comporte un treuil (74) pour enrouler le câble coaxial (6) et un joint tournant (75) solidaire du treuil (74) adapté à assurer une liaison électrique et une liaison radioélectrique pendant l'enroulement du câble (6).

6. Structure antennaire selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que l'âme (65) du câble coaxial au niveau de la face inférieure (32) de la coupure (30) est reliée à la tresse (63) du coaxial au niveau de la face supérieure (31) de la coupure (30) au moyen d'un dispositif comprenant un transformateur d'impédance (41) et isolé galvaniquement de la face inférieure (32) par une capacité (42).

7. Structure antennaire selon la revendication 6 caractérisée en ce que la tresse du coaxial au niveau de la face inférieure (32) de la coupure (30) est reliée à travers une self (43) à l'âme du coaxial au niveau de la face supérieure (31) de la coupure.

8. Structure antennaire selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le dispositif isolateur de courant (34) est constitué d'un bobinage (35) du câble coaxial autour d'un noyau souple (36).

9. Structure antennaire selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que la station (1) comporte un coupleur (13) avec la structure antennaire (60) caractérisé en ce qu'il est constitué d'un filtre passe haut (14) en série avec une première entrée (13₂) du coupleur et un filtre passe bas (15) en série avec une deuxième entrée (13₃) du coupleur (13), une sortie (13₁) reliée à l'extrémité (61) du câble (6).

10. Structure antennaire selon la revendication 9 caractérisée en ce que le filtre passe haut (14) est constitué d'un réseau en T composé de deux capacités (14₁, 14₂) et d'une inductance (14₃), et le filtre passe bas est un réseau en T composé de deux inductances (15₁, 15₂) et d'une capacité (15₃).

11. Structure antennaire selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'élément antennaire est adapté à travailler en très haute fréquence VHF ou ultra haute fréquence UHF.

12. Dispositif caractérisé en ce qu'il comporte une structure antennaire (60) selon l'une des revendications précédentes associée à un engin volant captif (2) situé à une altitude donnée par rapport à une station terrestre (1).

Dessins