L'invention concerne notamment une antenne très haute fréquence/ultra haute fréquence, VHF/UHF, large bande ou ultra large bande à rayonnement sectorielle. Elle concerne de manière plus générale, le domaine des antennes et systèmes d'antennes par mise en réseau, pour rémission avec des puissances de quelques dizaines à quelques centaines de Watts, par exemple, et la réception dans les bandes VHF/UHF d'ondes électromagnétiques polarisées linéairement.

Pour certaines applications, l'utilisation d'antennes doit répondre à des besoins d'intégration sur une structure porteuse et à la possibilité de réaliser des antennes et des réseaux d'antennes pouvant être utilisés pour plusieurs fonctions. Le premier axe suppose un maintien des performances en rayonnement et en impédance des antennes après intégration sur des structures porteuses complexes. Ces structures peuvent être des bâtiments de surface (application navale), des véhicules terrestres ou des aéronefs. Par ailleurs, ce maintien des performances doit s'opérer sur une largeur de bande très importante (une demi-décade voire une décade). Le second axe est lié à l'aspect multifonctions demandé par les utilisateurs. Le nombre toujours croissant de fonctions intégrées sur les porteurs s'accompagne d'une augmentation du nombre d'antennes à intégrer à leur structure. Cette intégration difficile au regard de contraintes mécaniques, de performances et de compatibilité électromagnétique peut être résolue en mutualisant les éléments rayonnants. En revanche, cette mise en commun pose le problème de l'unification des exigences héritées des différents systèmes auxquels les antennes et les réseaux d'antennes participent.

De nombreux articles traitants d'antennes dipolaires ultra large bande peuvent être cités. Lorsqu'il s'agit de modifier cette architecture simple pour l'intégrer à proximité d'un plan de masse (la structure) tout en conservant des propriétés de rayonnement satisfaisantes et une adaptation d'impédance permettant une utilisation sur une très large bande de fréquence, le corpus disponible est déjà plus limité. En la matière, la demande de brevet FR 301 1 685 décrit une antenne dipôle-boucle. Avec des dimensions globales de 1 x1 m pour une hauteur de 0,25m, elle est utilisable sur une bande allant de 100 MHz à 500 MHz, via un circuit d'adaptation d'impédance. Elle peut également être mise en réseau circulaire.

L'antenne de Rhode et Schwartz référencée AD066FW décrit aussi une structure de réseau d'antennes large bande utilisables entre 1 18 MHz et 453 MHz pour des fonctions de communications améliorées grâce à un système de formation de faisceaux.

Une autre forme d'antenne est décrite dans la publication intitulée

« The Self-Grounded Bow-Tie Antenna » de J. Yang et A. Kishk, IEEE AP- S/URSI 201 1 . Conçue pour fonctionner entre 2 GHz et 15 GHz, elle tire avantageusement parti d'un repliement en court-circuit des brins du dipôle pour :

- Elargir la bande de fréquence d'utilisation,

- Arborer un profil d'antenne plus connue sous le nom d'antenne « Vivaldi » qui limite les phénomènes de feuilletage lorsque l'antenne est électriquement grande.

Toutefois, avec une fréquence minimale de 2 GHz pour des dimensions 54(L)x58(l)x24 (h) mm, une transposition en fréquence dès 100 MHz montre que cette solution ne convient pas vis à vis d'applications envisagées pour la présente invention.

Malgré tous les avantages offerts par les solutions de l'art antérieur, ces dernières offrent certains inconvénients du fait de leur conception et de leur encombrement qui nuisent aux capacités d'intégration et de mise en réseau. Lorsque l'encombrement est contenu, le rapport d'onde stationnaire plus connu sous l'abréviation ROS et les gains résultants ne permettent plus de satisfaire aux exigences de qualité de service. Lorsque l'encombrement est trop important, l'association en réseau permettant d'obtenir une voie omnidirectionnelle n'est pas évidente. Par ailleurs, l'antenne dipôle-boucle du brevet précité nécessite un circuit d'adaptation d'impédance additionnel pouvant limiter la tenue en puissance pour certaines applications.

En résumé, les solutions décrites dans l'art antérieur et connues du demandeur ne permettent pas notamment d'avoir simultanément :

« Un ROS inférieur à 3 et un gain supérieur à 2 dBi, dans la direction principale d'émission/réception, sur toute la bande de fréquence souhaitée pour l'antenne seule,

• Une stabilité du diagramme de rayonnement, sans phénomène de feuilletage,

· Une hauteur optimisée (inférieure ou égale à 1 mètre) et une largeur réduite (inférieure ou égale à 40 cm) pour faciliter son intégration et sa mise en réseau (circulaire ou autres),

• Une profondeur restreinte (inférieure ou égale à 25 cm) pour s'intégrer facilement à la structure,

· Une nature auto-adaptée sur une impédance donnée, par exemple 50Ω, ne nécessitant pas un circuit d'adaptation d'impédance rapporté.

L'objet de la présente invention est de proposer une antenne pouvant être mise en réseau, adaptée à fonctionner dans un domaine large bande ou ultra large bande, qui permet notamment d'être facilement intégrable dans un emplacement donné et qui présente une stabilité dans le diagramme de fonctionnement.

L'invention concerne une antenne sectorielle, large bande ou ultra large bande, ayant une hauteur H, une profondeur D, une largeur W, comportant un plan de masse agissant comme plan réflecteur, au moins un ensemble antennaire comprenant au moins un premier brin et au moins un deuxième brin, l'antenne fonctionnant dans une gamme de fréquences [f-ι , f ₂ ], caractérisée en ce que :

• Un brin a une forme repliée, une courbure intérieure F-i , F'i partant d'un point A, A' positionné vers le centre de l'antenne O, une courbure extérieure F ₂ , F' _2, située dans le prolongement de la première courbure intérieure F-i , F'-i , • La forme de la courbure intérieure F-i , F' -i , est déterminée afin de garantir la stabilité du diagramme de rayonnement à la fréquence maximale de fonctionnement de l'antenne,

• La forme de la courbure extérieure F ₂ , F' _2, est déterminée afin de garantir la stabilité de l'impédance que présente l'antenne à ses bornes d'alimentation, à la fréquence minimale de fonctionnement,

• Le premier brin et le deuxième brin sont alimentés en opposition de phase.

La forme d'un brin est, par exemple, caractérisée de la manière suivante :

• Soit les coordonnées cartésiennes de trois points A, B et C, A-B appartenant à la courbure intérieure F-i, B-C appartenant à la courbure extérieure F ₂ , le point origine 0 du repère cartésien correspondant au centre du plan de masse,

• La courbe intérieure Fi d'un brin est définie par :

ezc ₁ _ _e z _B c ₁

( J : X = x _B + (x _A - x _B ) _e¾Cl _ _eZgCl , Vz G [z _A , z _B ],

• La courbe extérieure F ₂ d'un brin est définie par :

g ^zc 2 — Q ^Z B ^C 2

(F ₂ ) : X = X _B + (x _c - _B ) _eZcC2 _ _e z _B c ₂ ' ^{Vz e}

XA, XB, XC, Z _A , Z _B , Z _c , sont les coordonnées des points A, B et C dans un repère cartésien et Ci et c ₂ sont deux paramètres de courbure.

Selon une variante de réalisation la forme d'un brin vue de face correspond à l'intersection d'une première ellipse E-i ayant un premier rayon Ri correspondant au grand axe et un deuxième rayon R ₂ correspondant au petit axe, avec une deuxième ellipse E ₂ ayant un premier rayon R ₂ correspondant au grand axe sensiblement identique au rayon du petit axe de la première ellipse, et un deuxième rayon R ₃ , la valeur de R ₂ est choisie en fonction de la largeur de l'antenne, le rapport R-|/R ₃ est choisi afin d'optimiser les transitions au niveau de l'alimentation de l'antenne et du repliement terminal du brin.

Les paramètres d'une antenne sont définis tels que, pour une plage de fréquences de fonctionnement [f-ι , f ₂ ] et une fréquence centrale f ₀ : D est compris dans l'intervalle [λ ₀ /5, λ ₀ /3],

H est sensiblement égal à λ ₀ ,

W est compris dans l'intervalle [λ ₀ /3, λ ₀ /2],

R ₃ est compris entre 0.6 ^* ^ et 0.8 ^* R _{1 ;}

R ₂ - W/2.

Selon une variante de réalisation, la profondeur de l'antenne D est choisie sensiblement égale au quart de la longueur d'onde λ ₀ , la hauteur H de l'antenne est sensiblement égale à la longueur d'onde λ ₀ , la largeur W de l'antenne est sensiblement égale à 2 ^* λ ₀ /5.

L'antenne sectorielle est par exemple caractérisée en ce que : « Le plan de masse comporte deux repliements formant deux toits capacitifs,

• Le premier brin elliptique et le deuxième brin elliptique sont repliés au centre de l'antenne vers le plan de masse,

• Une première extrémité du premier brin se trouve au niveau d'un premier point A à proximité du plan de masse et une première extrémité du deuxième brin est au niveau d'un deuxième point A' à proximité du plan de masse,

• Une deuxième extrémité du premier brin et une deuxième extrémité du deuxième brin se positionnent respectivement à deux points C, C correspondant à un point dont la cote est telle que z _c est sensiblement égale à 0.48 λ ₀ ,

• R1+R3 est égale à z _c -z _A ,

• R ₂ est sensiblement égale à W/2.

L'antenne sectorielle selon l'invention peut comporter plusieurs ensembles composés chacun de deux brins ayant une forme elliptique. L'alimentation de l'antenne est, par exemple, réalisée via des moyens de connexion alimentés en opposition de phase grâce à un Balun ou un coupleur hybride 0/180°.

L'antenne peut comporter au moins deux connecteurs RF choisis en fonction de la plage de fréquences de fonctionnement de l'antenne et de la tenue en puissance désirée, les connecteurs sont alimentés en opposition de phase.

L'antenne sectorielle fonctionne à une fréquence appartenant au domaine VHF/UHF avec pour l'émission des puissances de quelques dizaines à quelques centaines de Watts et une réception dans les bandes

VHF/UHF d'ondes électromagnétiques polarisées linéairement.

Selon une variante de réalisation, l'antenne sectorielle selon l'invention est adaptée pour une intégration dans un équipement mobile ou une infrastructure fixe.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation annexée des figures qui représentent :

• La figure 1 , une vue en 3D d'un exemple d'antenne selon l'invention,

• La figure 2, une vue de profil de l'antenne de la figure 1 ,

· La figure 3, un schéma permettant d'expliquer la forme spécifique des brins de l'antenne,

• La figure 4, des diagrammes de rayonnement dans le plan vertical de l'antenne à différentes fréquences,

• La figure 5, une représentation d'un gain de l'antenne dans la direction principale d'émission en fonction de la fréquence, et

• La figure 6, un ROS de l'antenne en fonction de la fréquence.

Avant d'expliciter un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention, le demandeur pose les définitions suivantes :

• : la fréquence minimale de fonctionnement en Hz,

· f ₂ : la fréquence maximale de fonctionnement en Hz, • f ₀ : la fréquence centrale de fonctionnement en Hz et telle que f ₀ = (fi+f ₂ )/2,

• soit λ _χ la longueur d'onde (en mètre) associée à la fréquence f _x et telle que λ _χ = c/f _x avec c la vitesse de propagation des ondes (en m/s), x étant un indice générique correspondant aux indices 0, 1 , 2 des fréquences,

• Les points A, B et C (figure 2) qui vont permettre de définir le profil d'un brin sont repérés par un système de coordonnées cartésiennes dans le repère orthonormé direct X, Y et Z tel que l'origine est au centre de l'antenne, X pointe vers l'avant de l'antenne (soit la direction principale d'émission) et Z vers le haut.

Les cotes générales de l'antenne sont les suivantes :

• Le premier paramètre D déterminé est la profondeur de l'antenne choisi tel que D est compris dans l'intervalle [λ ₀ /5, λ ₀ /3], de préférence D = λ ₀ /4. Ce paramètre définit par la même occasion xB (l'abscisse du point B selon la figure 2), soit XB = D,

• Le deuxième paramètre H fixé est la hauteur de l'antenne choisie telle que H est sensiblement égal ou égal à λ ₀ ,

• Enfin, pour atteindre les exigences de fonctionnement à la fréquence minimale, la largeur W de l'antenne est choisie telle que W est comprise entre λ ₀ /3 et λ ₀ /2, avec de préférence W = 2* λ ₀ /5.

La figure 1 , schématise une vue en trois dimensions d'un exemple d'antenne 1 large bande ou ultra large bande selon l'invention qui va être détaillée en utilisant la figure 2. L'antenne 1 est composée d'un premier brin elliptique 1 01 et d'un deuxième brin elliptique 1 02, les deux brins elliptiques étant repliés vers un plan de masse 2 au centre O de l'antenne 1 , une première extrémité 1 01 a (figure 2) du premier brin se trouvant au niveau d'un premier point A (ΧΑ,ΖΑ) situé à proximité du plan de masse et une première extrémité 1 02a du deuxième brin 1 02 étant au niveau d'un deuxième point Α'(Χ'Α,ΖΆ) situé à proximité du plan de masse 2. Une deuxième extrémité 101 b du premier brin et une deuxième extrémité 1 02b du deuxième brin se positionnent à deux points points C, C dont les cotes sont données par rapport au plan de masse comme il sera explicité un peu plus loin. L'antenne 1 est enserrée par un premier repliement et un deuxième repliement perpendiculaires du plan de masse, plus connus sous l'expression « pseudo toits capacitifs », 31 , 32.

Les deux brins 101 , 102 ont dans cet exemple une forme elliptique et sont disposés de manière symétrique par rapport à un axe Ox. Les deux brins sont alimentés en opposition de phase par deux moyens de connexion 30, 30' grâce à un Balun ou un coupleur hybride 0°/180° connus de l'homme du métier. Les moyens de connexion 30, 30' peuvent être des connecteurs RF ou tout autre type de connexion adaptée connue de l'homme du métier en fonction de la fréquence et de la tenue en puissance.

La figure 2 et la figure 3 permettent d'illustrer la définition et la forme des brins en utilisant une représentation d'ellipse. La vue de face des brins est générée par l'intersection d'une première ellipse E-i qui possède un premier rayon R-ι pour le grand axe et un deuxième rayon R ₂ pour le petit axe, avec une deuxième ellipse E ₂ possédant un même rayon R ₂ pour le grand axe et le rayon R ₃ pour le petit axe. L'intersection I des deux ellipses E-i et E ₂ est représentée en trait plus épais sur la figure 3.

La figure 2 représente, dans un système de coordonnées cartésiennes où le point origine O correspond au point milieu de l'antenne, le profil des brins. Chaque brin a une forme constituée d'une première courbe F-i (A-B), F'-ι (Α'-Β'), dite courbure intérieure par rapport au centre O de l'antenne, suivie d'une deuxième courbe F ₂ (B-C), F' ₂ (B'-C) ou courbure extérieure. Les deux brins ont une forme sensiblement identique et symétrique par rapport à l'axe OX, de manière plus générale par rapport à un axe perpendiculaire à l'antenne et passant par le centre O.

Les différents paramètres permettant de générer les brins de l'antenne sont définis par la figure 2 et la figure 3 :

· Vu de face ou projeté dans le plan yOz, un brin rayonnant est engendré par l'intersection de deux ellipses partageant le même rayon transversal R ₂ , ce dernier fixant la largeur totale de l'antenne. Ensuite, le ratio R-1/R3 est choisi pour optimiser les transitions au niveau de l'alimentation et du repliement terminal du brin.

• Vu de profil, la courbure du brin vers le plan de masse est définie par les points A, B, C et par les équations des courbes F-ι et F ₂ . La partie inférieure de l'intersection des deux ellipses est ensuite fixée en A (point d'alimentation du brin) puis passe par B et C.

Soit les coordonnées cartésiennes des point A, B et C, telles que :

Les équations des courbes sont données par deux paramètres de courbure supplémentaires : Ci et c ₂ . L'équation de F-ι est telle que :

ezc ₁ _ _e z _B c ₁

( J : X = x _B + (x _A - X _B ) , Vz G [z _A , z _B ].

De même, l'équation de F ₂ est telle que :

e ^zc 2 _ _e ^z B ^c 2

(F ₂ ) : X = x _B + (x _c - ¾) _e z _cC2 _ _{e¾C2 )} Vz G [z _B , z _c ] .

Le deuxième brin est ensuite généré par symétrie d'axe X, les formules précédentes s'appliquent pour les points référencés A', B' et C sur la figure 2.

Pour définir le motif des brins vus de face on va, par exemple, utiliser les paramètres suivants :

• Tout d'abord, les coordonnées des points A, A' sont ajustées au moyen de simulations électromagnétiques et en fonction des contraintes d'intégration des moyens de connexion 30, 30'. Par exemple, pour la bande 100-500 MHz, l'abscisse XA, XA\ est environ égale à 5 mm et la cote z _A , z _A \ est environ égale à 5 mm pareillement. Toutefois, pour des applications à plus hautes fréquences, ces coordonnées peuvent être réduites. Les valeurs des cotes seront choisies notamment en fonction de la bande de fréquence de fonctionnement, • Pour améliorer l'adaptation d'impédance, la structure qui accueille l'antenne est constituée de deux repliements du plan de masse, en haut et en bas lorsque l'on considère l'antenne dans une position verticale comme il est représenté à la figure 1 . La proximité de l'extrémité des brins avec ces toits capacitifs 31 , 32 est déterminée par la cote du point C, soit z _c telle que z _c = γ* λ ₀ ~ 0,48 ^* λ ₀ ,

• Des définitions précédentes, on en déduit que R1+R3 = z _c - z _A ,

• Suite à une optimisation en simulation électromagnétique, on

détermine également R ₃ dans l'intervalle [0,6 ^* R-i , 0,8 ^* R-i] avec R ₃ ~ 0,7 ^* Ri ,

• Enfin, R ₂ « W/2.

Une façon d'obtenir la courbure des brins est décrite ci-après et en relation avec la figure 2:

• Les brins sont courbés dans le plan contenant les vecteurs X et Z (axe OX, OZ) selon deux fonctions exponentielles Fi (F- ) et F ₂ (F ₂ '),

• La jonction entre ces deux fonctions est paramétrée par la cote du point B (point B') déterminée par optimisation en simulation électromagnétique, soit z _B environ égal à 1/3 λ ₀ ,

• La courbure intérieure des brins correspondant à la partie de la courbe allant de A à B (A' à B') est générée par la fonction de type exponentielle F-i , (F'i) qui reçoit en paramètres les coordonnées des points A et B ainsi qu'un paramètre de courbure c-i , tel que Ci varie de -20/ λ ₀ à -15/ λ ₀ , de préférence Ci ~ -18/ λ ₀ , par exemple. Cette courbure sert à garantir la stabilité du diagramme de rayonnement à la fréquence maximale,

• La courbure extérieure des brins correspondant à la partie B-C (B'-C) est générée par la fonction de type exponentielle F ₂ , (F' ₂ ) qui reçoit en paramètres les coordonnées des points B et C (B' et C) ainsi qu'un paramètre de courbure c ₂ , tel que c ₂ ~ 30/ λ ₀ , par exemple. Cette courbure sert à garantir la stabilité de l'impédance que présente l'antenne à ses bornes à la fréquence minimale.

Les paramètres de courbure Ci et c ₂ sont définis par simulation électromagnétique en utilisant des outils de simulation connus de l'homme du métier, par exemple une méthode rigoureuse de simulation électromagnétique connue sous l'expression anglo-saxonne «full-wave method ». Tous les paramètres peuvent être ajustés pour optimiser les performances.

In fine, l'antenne proposée arbore donc une bande passante (ou plage de fonctionnement) en fréquence de 5 :1 avec un rapport d'onde stationnaire

(ROS) inférieur à 3.

L'exemple qui suit est un exemple chiffré donné pour une antenne

Ultra Large Bande, pour une bande d'utilisation allant de 100 MHz à 500

MHz les dimensions de l'antenne sont :

· Hauteur (H) : 1 mètre,

• Largeur (W) : 0,4 mètre,

• Profondeur (D) : 0,25 mètre,

• L'espacement entre les deux points d'alimentation A-A' est de 1 cm.

Le repliement vers le centre permet de donner un profil d'antenne Vivaldi qui canalise le rayonnement à haute fréquence pour minimiser les phénomènes de feuilletage sur le rayonnement dans le plan vertical de l'antenne comme il est illustré sur la figure 4 pour une bande d'utilisation allant de 100 MHz à 500 MHz .

L'ajout des repliements perpendiculaires vers les brins permet de minimiser l'encombrement tout en maintenant un gain dans la direction principale d'émission supérieur à 2 dBi sur toute la bande, comme il est représenté à la figure 5 traçant le gain de l'antenne dans la direction principale d'émission en fonction de la fréquence de travail.

La figure 6 schématise le ROS de l'antenne en fonction de la fréquence par rapport à une impédance caractéristique de 50Ω. Avec l'alimentation en deux points permettant de diminuer l'impédance que présente l'antenne à ses bornes, la solution proposée permet d'éviter le recours à un circuit d'adaptation d'impédance. L'antenne est alors auto- adaptée avec un ROS inférieur à 2,5 par rapport à une impédance caractéristique de 50Ω.

Par son rayonnement sectoriel, la solution proposée permet de privilégier une direction de l'espace et renforce ainsi son gain par rapport à une solution à base d'antennes omnidirectionnelles. L'association en réseau de cette solution permet d'envelopper la structure porteuse pour mieux faire abstraction de celle-ci. Globalement, cette caractéristique autorise une utilisation pour des communications V/UHF. Enfin, son caractère Ultra Large Bande associé en réseau permet d'envisager une utilisation du type radiogoniométrie.

D'une manière générale, l'antenne peut être réalisée en métal conducteur (Cuivre, Aluminium, ...) ou en matériau composite (Carbone, ...).

L'antenne selon l'invention peut facilement être intégrée sur un équipement mobile, tel qu'un navire, en surface d'une paroi ou au niveau d'un mât équipant un véhicule ou encore une infrastructure terrestre. Une seule antenne alimentée arbore un rayonnement sectoriel tout en minimisant l'impact de la structure sur le fonctionnement de l'antenne.

Sans sortir du cadre de l'invention, la description des étapes pour définir une forme de brins d'antennes s'applique pour des brins non elliptiques tels que d'autres formes Ultra Large Bande connues de l'homme de métier.

La forme de l'antenne selon l'invention permet d'optimiser l'occupation de l'espace disponible pour améliorer le gain et l'adaptation d'impédance. En effet, la forme elliptique des brins permet de contribuer au caractère ultra large bande de l'antenne.

Les antennes selon l'invention permettent notamment une intégration des antennes et réseaux d'antennes sur une structure porteuse, l'utilisation dans plusieurs fonctions.

Les avantages de la solution proposée sont : un diagramme de rayonnement sectoriel stable en fonction de la fréquence, pour de larges ou ultra larges bandes de fréquence, une conception auto-adaptée, c.à.d. sans circuit d'adaptation d'impédance,

une intégration sur structure facilitée par son profil étroit (largeur et épaisseur réduites),

une mise en réseau circulaire aisée pour obtenir une couverture omnidirectionnelle en azimut,

une exploitation pour des fonctions de communications (émission et réception), de radiogoniométrie ou de contrôle du spectre grâce à ses performances,

Une forme simple permettant une transposition dans d'autres bandes de fréquences (VHF, UHF et SHF) et pouvant être conformée.