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CA 02404504 2002-09-09
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Système antennaire à rendement élevé et à forte puissance
La présente invention concerne un système antennaire
comportant plusieurs éléments ou structures rayonnantes disposées en
parallèle les unes des autres, chaque structure étant en liaison avec un
dispositif d'alimentation et d'adaptation d'impédance.
Elle s'applique par exemple pour les systèmes de
radiocommunication utilisant la gamme de fréquences comprises entre 1.5 et
30 MHz.
Elle concerne aussi un système antennaire de faibles dimensions
fonctionnant en particulier dans la bande HF (haute fréquence ou en termes
anglo-saxon High frequency) couvrant les fréquences de 1.5 à 30 MHz, et
destiné à être installé par exemple sur des véhicules terrestres pour assurer
des liaisons radio par réflexion ionosphérique de type NVIS (abréviation de
Near Vertical Incidence Skywave).
Elle fonctionne avec les systèmes de radiocommunication à
~s évasion de fréquence (Hopping Frequency en termes anglo-saxon).
Les systèmes de radiocommunication utilisant la gamme de
fréquences HF couvrant les fréquences de 1.5 à 30 MHz et destinés à être
installés sur des véhicules font habituellement appel à des systèmes
2o antennaires composés essentiellement d'une structure rayonnante, d'un
dispositif d'alimentation de la structure rayonnante et d'un dispositif
d'adaptation d'impédance, habituellement désigné ATU (Antenna Tuning
Unit). L'expression « élément rayonnant » ou « structure rayonnante
désigne un même élément.
2s Un exemple type d'un tel système antennaire est donné à la figure
1. La structure rayonnante 1, de type monopole, est constituée dans cet
exemple par un fouet vertical fixé par une de ses extrémités 7 sur un
véhicule 2 par l'intermédiaire d'une embase de traversé E, assurant aussi un
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rôle de dispositif d'alimentation 6 en reliant l'extrémité 7 du fouet 1 au
dispositif d'alimentation et d'adaptation d'impédance 3. Le fouet est ainsi
connecté à un poste émetteur/récepteur 5 par l'intermédiaire de l'ensemble
d'alimentation et d'adaptation d'impédance 3 comprenant un dispositif
s d'adaptation d'impédance 4.
Ce dispositif 4 d'adaptation d'impédance présente une structure
connue décrite à la figure 2 et comprenant par exemple
~ Un ensemble d'éléments capacitifs 41 et un ensemble d'éléments
inductifs 42 qui peuvent être connectés entre eux et ajustés en valeurs
~o par l'intermédiaire de commutateurs 43 pour constituer un réseau
d'adaptation d'impédance de type LC . Ce réseau LC est capable de
transformer l'impédance complexe de la structure rayonnante 1 afin de
présenter à l'entrée du poste émetteur/récepteur 5 (E/R) une impédance
fixée selon le fonctionnement souhaitée, par exemple une valeur voisine
15 de 50 ohms, à la fréquence de travail, réalisant de ce fait l'accord du
système antennaire,
~ Un processeur 44 pourvu d'un algorithme AL variant en fonction des
concepteurs. Les fonctions principales de cet algorithme consistent
notamment à dialoguer avec le poste émetteur-récepteur 5 afin de
2o connaître la fréquence instantanée de travail, à assurer la commande des
commutateurs 43 et à gérer, en particulier, la phase d'accord pendant
laquelle l'algorithme fait varier, par exemple par itérations successives,
les valeurs des éléments capacitifs et celles des éléments inductifs pour
les faire converger vers les valeurs conduisant à l'accord.
2s Le synoptique de fonctionnement d'un tel système antennaire est
donné à la figure 3.
Pour des liaisons devant être assurées sur des courtes et sur des
moyennes distances (typiquement de l'ordre de 0 à 500 kms) à partir d'un
système de radiocommunication installé sur un véhicule mobile, la structure
3o rayonnante la mieux adaptée est une structure rayonnante de type boucle.
Des exemples de telles structures sont décrits par exemple dans les brevets
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US 4 893 131, FR 2 553 586 et FR 2 785 094. Les figures 4 et 5
schématisent une telle structure.
Un élément conducteur filiforme 1 est recourbé sur le dessus d'un
véhicule 2. Cet élément est alimenté à une de ses extrémités 8 par un
s dispositif d'alimentation 6 composé d'un transformateur d'impédance large
bande 10 et d'un câble de liaison 11 (figure 5). L'autre extrémité 7 de cet
élément rayonnant est reliée à la masse par une capacité 12 variable de
préaccord afin de générer la surface rayonnante S de la structure antennaire
de type boucle. La puissance radio fréquence fournie par le poste
~o émetteur/récepteur 5 est transmise au dispositif d'alimentation 6 à travers
un
dispositif d'adaptation d'impédance qui est, dans cet exemple de réalisation,
intégré avec la capacité variable 12 de préaccord dans un même boîtier 13.
Cette intégration permet de commander la capacité variable au moyen de
l'algorithme AL.
15 D'autres configurations d'ensemble d'alimentation et d'adaptation
d'impédance peuvent être utilisées.
Les systèmes antennaires selon l'art antérieur, bien qu'efficaces,
présentent toutefois des limitations dans leur fonctionnement.
2o Par exemple, leur utilisation sur des véhicules, en particulier sur
des véhicules en mouvement, impose de limiter ou de restreindre les
dimensions des structures rayonnantes. Ceci a notamment pour
conséquence:
~ de réduire fortement le rendement des systèmes antennaires, parfois de
2s manière importante,
~ de générer des tensions élevées et de forts courants dans tous les
éléments constitutifs du système antennaire. Cet aspect limite la
puissance admissible de ces systèmes antennaires pour véhicule aux
alentours d'une centaine de Watts et nécessite de séparer le dispositif
3o d'alimentation 6 de la capacité de préaccord ce qui représente un
inconvénient pour l'intégration de l'antenne sur son véhicule porteur.
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~ n'étant pas capables de supporter des puissances RF (Radio fréquence)
élevées, en particulier celles des postes émetteurs/récepteurs utilisés sur
des véhicules pouvant délivrer plusieurs centaines de Watts voire le
kilowatt, ils ne peuvent pas faire fonctionner les éléments réactifs tels que
s les éléments capacitifs 41, 12 ou inductifs 42, à des taux de charge très
élevés au détriment de la fiabilité et ne sont pas adaptés pour mettre en
oeuvre des composants de commutation 43 de forte puissance dont le
temps de commutation est trop lent pour suivre tous les rythmes
d'évasion de fréquence offerts par les émetteurs/récepteurs.
L'invention concerne un système antennaire composé de (N+1 )
structures rayonnantes sensiblement identiques avec N supérieur ou égal à
1, lesdites (N+1 ) structures sont disposées parallèlement les unes aux
autres, chaque structure rayonnante est reliée à un dispositif d'alimentation
1s et d'adaptation d'impédance caractérisé en ce qu'il comporte
~ au moins un processeur équipé d'une logique de commande Cm adaptée
à réaliser l'accord de la structure rayonnante « maître », à faire varier au
moins une des valeurs d'au moins un paramètre donnant l'accord pour
les faire converger vers les valeurs donnant l'accord, et
~ une logique Cs adaptée à transférer les paramètres correspondant à
l'accord de la structure rayonnante « maître » vers la ou les structures
rayonnantes « esclave ».
Une structure rayonnante est par exemple en liaison avec un
processeur équipé d'une logique de commande Cm (structure rayonnante
ayant une fonction de maître) ou Cs (structure rayonnante ayant une fonction
d'esclave).
Les dispositifs d'alimentation peuvent être choisis pour fournir des
fréquences Radio Fréquence sensiblement égales en phase à la majorité ou
la totalité des (N+1 ) structures rayonnantes.
so Le système est par exemple utilisé dans la gamme de fréquences
comprises entre 1.5 et 30 MHz.
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L'invention concerne aussi un procédé pour accorder un système
antennaire comportant (N+1 ) structures rayonnantes sensiblement
identiques, avec N supérieur ou égal à 1, comportant au moins une étape où
chacune des structures rayonnantes disposées en parallèle les unes aux
5 autres sont alimentées et adaptées en impédance pour une valeur de
fréquence de fonctionnement donnée caractérisé en ce qu'il comporte au
moins les étapes suivantes
~ associer à une structure rayonnante une fonction de maître, et aux autres
structures rayonnantes une fonction « d'esclave »,
~ transmettre les paramètres d'accord de la structure rayonnante maître
vers les structures rayonnantes esclaves
~ faire varier au moins une des valeurs d'au moins un des paramètres pour
les faire converger et obtenir l'accord.
~ 5 Le procédé comporte par exemple les étapes suivantes
a) initialiser les paramètres d'accord pour la structure rayonnante « maître
»,
b) transmettre les paramètres d'accord aux autres structures rayonnantes,
c) déterminer la valeur d'impédance Z",esu~ée en sortie de la structure
rayonnante « maître » et comparer ladite valeur à une valeur spécifiée
20 Zfixée,
d) tant que ladite valeur déterminée est différente de la valeur spécifiée
déterminer les valeurs des paramètres permettant l'accord pour la
structure rayonnante maître,
e) faire varier au moins un des paramètres d'accord de la structure
25 rayonnante maître, et réitérer les étapes c à d.
Le système antennaire selon l'invention présente notamment les
avantages suivants
~ II assure un débit de données numériques (en bits/secondes) de plus en
3o plus élevé en radiocommunication dans la bande HF (High Frequency),
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~ II peut supporter des puissances radiofréquence des postes émetteurs-
récepteurs, pouvant aller de plusieurs centaines de watts voire le kilowatt,
~ II augmente le rendement en accroissant la résistance de rayonnement
du système rayonnant, tout en restant dans un encombrement compatible
s avec un véhicule terrestre,
~ II limite les tensions et les courants développés dans les éléments réactifs
et permet de ce fait le regroupement sur une seule extrémité de la
capacité de préaccord et du dispositif d'alimentation même pour une forte
puissance émise,
~ II autorise l'utilisation de composants de commutation de faible puissance
et en conséquence est donc rapide et fiable contrairement aux systèmes
de l'art antérieur qui doivent faire fonctionner les éléments réactifs,
capacitifs ou inductifs à des taux de charge très élevés au détriment de la
fiabilité et doivent mettre en oeuvre des composants de commutation de
15 forte puissance dont le temps de commutation est trop lent pour suivre
tous les rythmes d'évasion de fréquences offerts par les émetteurs-
récepteurs.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront
mieux à la lecture de la description qui suit donnée à titre illustratif et
2o nullement limitatif en regard des figures annexées qui représentent
~ Les figures 1, 2 et 3 un système antennaire HF selon l'art antérieur, le
détail d'une ATU et le synoptique du système,
~ Les figures 4 et 5 un exemple de système d'antenne de type boucle,
~ La figure 6 un synoptique du système antennaire selon l'invention et la
25 figure 7 un organigramme détaillant les étapes principales du procédé,
~ Les figures 8 et 9 un exemple d'installation du système antennaire sur un
véhicule et un détail de l'ensemble d'alimentation et d'adaptation
d'impédance,
~ Les figures 10 et 11 une autre variante de réalisation à base de
3o monopoles,
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~ La figure 12 un exemple de système antennaire pour installation sur un
mât-support.
La description qui suit est donnée à titre d'exemple non limitatif
pour un système antennaire destiné à être utilisé dans la gamme de
fréquences HF allant de 1.5 à 30 MHz et installé sur un véhicule.
En se référant au synoptique de la figure 6, le système antennaire
selon l'invention comprend
~ Un émetteur-récepteur 5 relié à un diviseur de puissance 9 de rapport
N+1 égal au nombre d'éléments rayonnants utilisés,
~ N+1 ensembles R~, R2, ...Ri,.., R~, R~+~ comportant chacun au moins un
élément rayonnant 1 ~, 12, ...1;,..,1 ",1 ~+~ associé à un ensemble
d'alimentation et d'adaptation d'impédance respectivement 3~, 32, 3i,...,
3", 3"+,, chaque ensemble Ri est en liaison avec le diviseur de puissance
9 au moyen d'un câble 90~, 902, ... 90;,.., 90~, 90r,+,,
~ Les N+1 éléments rayonnants 1; sont implantés en parallèle, un de ces
éléments jouant le rôle de maître et les N autres éléments un rôle
d'esclave, (sur la figure 6, c'est l'élément 1 ~ qui joue ce rôle),
~ Un dispositif Z (Zmètre) de mesure de l'impédance en sortie de l'élément
2o rayonnant 1 ~ désigné comme maître,
~ Pour l'élément maître, un processeur 15 équipé d'une logique de
commande Cm ayant notamment pour fonction de réaliser l'accord d'une
façon active durant la phase d'accord. La logique de commande Cm
permet notamment de gérer la phase d'accord du système antennaire en
2s faisant varier, les valeurs des éléments variables de l'ensemble
d'alimentation et d'adaptation, tels que les éléments capacitifs 41, les
éléments inductifs 42, la capacité variable 12 pour les faire converger
vers les valeurs qui donnent l'accord,
~ Pour chacun des N éléments rayonnants ayant un rôle d'esclave dans
3o une configuration de fonctionnement donné du système antennaire, un
processeur 15 équipé d'une logique de commande Cs ayant notamment
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pour fonction de recopier à tout moment et donc pendant toute la phase
d'accord, l'état de l'équipement maître, notamment les paramètres
d'accord, tels que les valeurs des éléments variables 41 ~, 412, ..vers
respectivement les éléments variables 41;, 42;, ......des ensembles
s d'alimentation et d'adaptation dits « esclaves ».
Avantageusement, la résistance de rayonnement de l'ensemble
des N+1 éléments rayonnants par rapport à celle d'un seul élément
rayonnant se trouve multipliée approximativement par N+1 et il en est de
même pour le rendement du système antennaire. Les équipements
d'alimentation et d'adaptation ne supportent alors qu'une (N+1 )ième partie
de la puissance RF totale délivrée par l'émetteur-récepteur.
Dans le cas particulier d'un système antennaire fonctionnant sur
une fréquence fixe unique, il est possible de fixer manuellement les valeurs
des capacités et des inductances pour obtenir l'accord souhaitée et de fait
~5 les logiques de commande par processeur ne sont plus nécessaires.
La figure 7 représente, sous la forme d'organigramme, un
exemple d'étapes mises en oeuvre au cours du procédé dans le cas
particulier où le système est pourvu d'une logique de commande
2o a) désigner un des éléments rayonnants comme « maître »,
b) initialiser les paramètres d'accord de la stnrcture rayonnante « maître »
en fonction de la fréquence de fonctionnement du système antennaire,
c) communiquer les paramètres d'accord, par exemple les valeurs des
capacités et des inductances du circuit d'adaptation à tous les circuits
25 d'adaptation des éléments rayonnants « esclaves », la logique de commande
Cs permet une recopie des valeurs du maître vers les esclaves,
d) déterminer, par exemple par mesure, la valeur d'impédance en sortie de
l'élément rayonnant maître », et
comparer la valeur mesurée Zmes"~~ à une valeur souhaitée Zfx~e, cette
3o dernière est choisie par exemple selon les conditions de fonctionnement du
système antennaire, de façon à obtenir l'accord souhaité,
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e) tant que Zr"~"~e est différente ou sensiblement différente de la valeur
Zfixée~ déterminer les valeurs des paramètres permettant l'accord pour la
structure rayonnante maître,
f) faire varier au moins une des valeurs des éléments variables pour les faire
s converger vers les valeurs qui donnent l'accord et réitérer les étapes e) à
d).
La tolérance est par exemple fixée à une valeur de TOS inférieure ou égale à
1,5.
La variation des valeurs est réalisée par exemple de manière
itérative selon des algorithmes connus de l'Homme du métier.
Les informations sont transférées de la structure rayonnante
« maître » vers les structures « esclaves » par exemple en les modulant à
une fréquence différente de la fréquence de travail et en utilisant les câbles
90i.
Elles peuvent aussi être transférées par tout autre moyen connu
~s de l'Homme du métier.
La figure 8 représente un exemple de réalisation d'un système
antennaire selon l'invention comportant deux éléments rayonnants installés
sur un véhicule et connectés directement à la masse de ce dernier.
2o Un premier élément rayonnant filiforme 1 ~ a une de ses extrémités
8, connectée directement à la masse du véhicule 2. L'autre extrémité 7~ est
connectée au travers d'une embase de traversée E~ à la borne d'entrée 30~
de l'ensemble d'alimentation et d'adaptation d'impédance 3~. Un exemple de
détail de cet ensemble est représenté à la figure 9. II comprend par exemple
2s une capacité variable de préaccord 20 dont une des bornes constitue la
borne d'entrée 30~ mise en série avec le primaire d'un transformateur large
bande élévateur d'impédance 21, d'un ATU branché au secondaire du
transformateur 21 et d'une logique de commande Cm qui permet à cet
ensemble de fonctionner en tant que maître. II en est de même pour le
3o deuxième élément filiforme 12 disposé en parallèle au premier élément 1 ~ ,
à
une distance de l'ordre de 0.5 m afin que ces éléments rayonnants ne se
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touchent pas sous l'effet du mouvement du véhicule. De même, les
extrémités 82 et 72 sont connectées respectivement à la masse du véhicule
et à la borne d'entrée 302 du deuxième ensemble d'alimentation et
d'adaptation d'impédance 32. Ce deuxième ensemble étant considéré
5 comme esclave vis à vis du premier ensemble, il est équipé d'une logique de
commande Cs, permettant, notamment, la recopie à tout instant en particulier
lors de la phase d'accord, de l'état du premier ensemble ou maître.
Les informations échangées entre les différents ensembles
s'effectuent au moyen de bus connu de l'Homme du métier ou encore de
câble de liaison, par exemple les câbles coaxiaux 31 ~ et 312 reliant les
ensembles d'alimentation et d'adaptation d'impédance 3~ et 32 au diviseur de
puissance 9. Ces deux câbles reliés à deux sorties distinctes 90~ et 902 du
diviseur de puissance ont la même longueur ou sensiblement la même
longueur pour permettre l'arrivée des signaux en même temps sur les
~ 5 éléments rayonnants. Les puissances RF transmises aux éléments
rayonnants 1 ~ et 12 sont donc identiques en amplitude et en phase ou au
moins le plus semblable possible.
Les figures 10 et 11 correspondent à une variante de réalisation
où les éléments rayonnants 1 ~, 12 sont de type monopôle. Dans ce cas les
ensembles d'alimentation et d'impédance sont directement connectés à
l'ATU 4. Une seule extrémité 7~, 72 de l'élément rayonnant est connectée au
système antennaire par l'intermédiaire de l'embase E~, E2. La figure 11
représente un seul élément pour des soucis de simplification .
La figure 12 montre une variante de réalisation où une antenne
dipôle est installée sur un mât support M. Pour des niveaux de tension et de
courant générés dans les éléments constitutifs de l'antenne identiques à
ceux correspondants à une antenne dipôle équipée d'un ATU unique, cette
so réalisation permet de transmettre deux fois plus de puissance RF. Elle est
constituée de deux structures rayonnantes de type monopôle 1 ~ et 12
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installées d'une façon sensiblement colinéaire en tête bêche au sommet du
mât support et de façon horizontale. Les extrémités 7~ et 72 des structures
rayonnantes sont connectées respectivement aux deux ensembles
d'alimentation et d'adaptation d'impédance 3~ et 32 qui fonctionnent
s respectivement en tant que maître et en tant qu'esclave. Les deux cordons
coaxiaux 31 ~ et 312 de même longueur électrique relient les deux ensembles
d'alimentation et d'adaptation d'impédance aux sorties d'un diviseur de
puissance hybride 0-180°, 9'. Les deux sorties 90'~ et 90'2 sont en
opposition
de phase.
