FR2895152A1 - Dispositif d'emission et/ou de reception d'ondes electromagnetiques pour aerodynes - Google Patents

Dispositif d'emission et/ou de reception d'ondes electromagnetiques pour aerodynes Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'émission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques pour aérodynes caractérisé en ce qu'il comporte une antenne sabre présente sur le dessus du fuselage de l'aérodyne, un réseau réflecteur principal disposé horizontalement au pied de l'antenne sabre, un cornet d'éclairage principal disposé au sommet de l'antenne sabre, le cornet illuminant le réseau réflecteur principal, deux réseaux réflecteurs secondaires disposés verticalement de part et d'autre des faces de l'antenne sabre, deux cornets d'éclairage secondaires disposés au pied de l'antenne sabre dans le plan du réseau réflecteur principal, chaque cornet illuminant l'un des réseaux réflecteurs secondaires, chaque réseau réflecteur réfléchissant les ondes émises par le cornet d'éclairage l'illuminant.Application : aéronautique

Description

DISPOSITIF D'EMISSION ET/OU DE RECEPTION D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES POUR
AERODYNES La presente invention concerne un dispositif d'emission et/ou de reception d'ondes electromagnetiques pour aerodynes. Elie s'applique par exemple dans le domaine de I'aeronautique.
De nouveaux services de divertissement ou de communication sont aujourd'hui offerts aux passagers des avions commerciaux ou d'affaire, ces services etant couramment rassembles sous la denomination anglosaxonne de In Flight Entertainment (qu'on appellera services IFE par la suite). Les services IFE entrainent des contraintes nouvelles. Par exemple I'acces a ('Internet haut debit pour chaque passager exige des debits de transmission tres importants vers des satellites geostationnaires en charge de distribuer ('information. Une antenne additionnelle emettrice et/ou receptrice doit titre implantee sur la partie superieure du fuselage des avions.
Tout d'abord cette antenne doit permettre de viser n'importe quel satellite en fonction de la position geographique de I'avion qui est sans cesse en mouvement. En plus, ('antenne doit emettre une onde a frequence elevee adaptee au haut debit, dans la bande X, Ku ou Ka par exemple, c'est-a-dire entre 10 et 35 gigahertz. Sachant que les fonctions classiques de communication et de navigation necessitent deja un grand nombre d'antennes reparties sur le dos et sous le ventre de I'appareil, ceci pose des problemes de disponibilite et de choix des zones d'implantation, ainsi que des problemes de verification de decouplage entre les antennes.
Une solution classique est ('utilisation d'une antenne directionnelle orientee mecaniquement dans la direction du satellite, ('ensemble du dispositif etant enferme dans un radome fixe. Mais I'augmentation permanente des debits implique une augmentation constants des frequences, jusqu'en bande Ka par exemple, et le coat de conception, de realisation et de maintenance de ce type d'antenne augmente rapidement. La fiabilite limitee de tout asservissement mecanique est d'autant plus dommageable economiquement que les interventions de maintenance sur le dos de I'appareil sont difficiles. Enfin ces antennes sont encombrantes et font apparaitre une protuberance considerable a la surface du fuselage, augmentant notablement la trainee de I'appareil et donc sa consommation de kerosene. De plus, ('utilisation de plusieurs de ces antennes sur un meme porteur engendre des zones de masquage.
Une autre solution peut titre envisagee qui s'affranchit des inconvenients de fiabilite d'un asservissement mecanique. C'est ('utilisation de 3 antennes fixes a balayage electronique classique disposees sur le fuselage de I'appareil selon 3 directions bien precises. En effet, une seule io antenne de ce type n'a une couverture angulaire que tres limitee a un cone de I'ordre de 60 degres environ autour de la direction normale a ('antenne. De plus le signal perd en qualite lorsqu'il est emis avec un angle s'eloignant de la direction normale a ('antenne. II en faut donc trois correctement orientees pour satisfaire aux contraintes de couverture angulaire, ('une 15 disposee horizontalement sur le dessus du fuselage et les deux autres disposees verticalement de chaque cote du fuselage. Mais ces antennes ont une epaisseur relativement importante car elles integrent un dispositif d'emission d'ondes derriere ('antenne elle-meme, celle-ci etant traversee par les ondes qu'elle refracte. Leur encombrement, quoique inferieur a une 20 antenne a balayage mecanique, reste eleve et fait encore apparaitre des protuberances importantes. Enfin un tel dispositif a trois antennes necessite une surface d'implantation a la surface du fuselage plutot etendue et donc difficilement disponible. Leur maintenance a partir de I'interieur de I'avion est egalement rendue difficile par la necessite d'amenager 3 acces distincts. 25 Cette solution a trois antennes pourrait titre amelioree par I'utilisation d'antennes a balayage electronique d'un type connu par sa designation anglo-saxonne de << reflect-array >> (que I'on appellera reseau reflecteur par la suite). Ces antennes ont la caracteristique de ne pas 30 comporter de dispositif d'emission d'ondes integre au reseau rayonnant et par consequent d'offrir une epaisseur tres faible. Ces dispositifs ne refractent pas une onde generee a I'arriere de ('antenne, ils reflechissent une onde generee a ['avant de ('antenne par un dispositif d'emission d'ondes deporte. Selon exactement le meme principe qu'une antenne a balayage electronique 35 classique pour ajuster ('angle de refraction, une antenne a reseau reflecteur ajuste ('angle de reflexion du faisceau par dephasage relatif du champ rayonne par des elements disposes en reseau. Les elements rayonnants disposes en reseau peuvent titre des guides d'ondes integrant des dephaseurs a diodes ou a systemes micro-electro-mecaniques par exemple, couramment appeles MEMS selon ('expression anglo-saxonne < Micro-Electro-Mechanical System >>. Cette technologie est bien connue par ailleurs. Pour mettre en oeuvre cette solution, it faut implanter egalement 3 mats au profil aerodynamique et equipes de cornets d'eclairage a leur sommet pour illuminer les trois reseaux reflecteurs. Ce type d'antenne ayant les marries limitations en couverture angulaire que les antennes a balayage electronique classique, a savoir environ 60 degres autour de la direction normale a ('antenne, iI en faut egalement trois correctement orientees pour satisfaire aux contraintes de couverure angulaire. Lune d'entre elles doit titre disposee horizontalement sur le dessus du fuselage avec son mat d'illumination et les deux autres verticalement de chaque cote avec leurs mats d'illumination egalement. Mais meme si I'epaisseur est considerablement reduite, une telle solution necessite encore une surface d'implantation trop etendue.
II apparait que difficulte d'implantation, surconsommation, manque de fiabilite et maintenance difficile sont des inconvenients essentiels qui font que les solutions actuelles sont mediocres surtout d'un point de vue economique.
L'invention a notamment pour but de pallier les inconvenients precites en exploitant de maniere opportune une structure deja existante sur le fuselage de I'appareil, a savoir ('antenne de type sabre. Une antenne sabre est presente sur tout avion pour assurer les communications vocales par radio en bandes VHF et UHF. A cet effet, ('invention a pour objet un dispositif d'emission et/ou de reception d'ondes electromagnetiques pour aerodynes comportant une antenne sabre presente sur le dessus du fuselage de ('aerodyne. II comporte egalement un reseau reflecteur principal dispose horizontalement au pied de ('antenne sabre et un cornet d'eclairage principal dispose au sommet de ('antenne sabre, le cornet illuminant le reseau reflecteur principal. II comporte aussi deux reseaux reflecteurs secondaires disposes verticalement de part et d'autre des faces de I'antenne sabre et deux cornets d'eclairage secondaires disposes au pied de I'antenne dans le plan du reseau reflecteur principal, chaque cornet illuminant run des reseaux reflecteurs secondaires. Chaque reseau reflecteur reflechit les ondes emises par le cornet d'eclairage ('illuminant. Avantageusement, run des plans reflecteurs directif peut titre un reseau d'elements rayonnants reflecteur et directif par dephasage relatif du champ rayonne par les elements, suffisamment mince pour ne pas augmenter inconsiderement I'epaisseur de I'antenne sabre.
Par exemple, les ondes reflechies sont dans la bande X, Ku ou Ka.
L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle s'integre sur une structure d'accueil existante qu'est I'antenne sabre sans en perturber le fonctionnement. En effet les fonctions classiques de communication vocale par radio UHF et VHF de I'antenne sabre restent independantes des nouvelles fonctions sur les autres bandes de frequences. Le decouplage est assure par le fait que ces fonctions s'adressent a des gammes de frequence bien differentes. En particulier, ('une peut tomber en panne sans consequence sur I'autre. Ainsi c'est une solution multifonction compacte et modulaire qui limite la proliferation grandissante des antennes et facilite la maintenance. Ne faisant intervenir aucun dispositif complexe d'asservissement mecanique au benefice d'une technologie a base de balayage electronique, c'est non seulement une solution plus fiable mais egalement une solution meilleure en terme de precision et de rapidite de pointage de faisceau.
D'autres caracteristiques et avantages de !'invention apparaitront a ('aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexes qui 30 representent : la figure 1, une illustration d'un exemple de realisation d'un dispositif selon ('invention par une vue de profil ; - la figure 2, une illustration de ('exemple precedent de realisation d'un dispositif selon ('invention par une vue du dessus ; les figures 3a et 3b, une illustration de la couverture angulaire de I'exemple precedent de realisation d'un dispositif selon ('invention par une vue de profil et de face ; - la figures 4a et 4b, une illustration de la couverture angulaire de 5 I'exemple precedent de realisation d'un dispositif selon ('invention par une vue du dessus et de face.
La figure 1 et la figure 2 illustrent le meme exemple de realisation d'un dispositif selon ('invention, la figure 1 par une vue de profil et la figure 2 10 par une vue du dessus. Une antenne sabre 2 est implantee verticalement par sa base sur la partie superieure du fuselage 1 d'un avion. Une antenne sabre est une plaque conductrice dont la forme peut s'apparenter a celle d'une lame. Elle est d'ailleurs plus connue sous sa designation anglo-saxonne de blade antenna >> qui signifie antenne lame >>. Par exemple c'est un 15 quadrilatere dont 2 cotes opposes formant la base et le sommet de ('antenne sont paralleles, la longueur de sa base etant de I'ordre de deux fois celle de son sommet. Cette forme en lame a le double avantage de presenter un profil aerodynamique et d'etre adaptee a ('emission et a la reception des ondes en bandes VHF et UHF utilisees pour les communications vocales par 20 radio entre le pilote et les controleurs de trafic au sol. Elle peut titre protegee par un capot en polyurethane par exemple. Avantageusement, un reseau reflecteur 3 est implante a plat horizontalement sur le fuselage de ('avion au pied de ('antenne sabre 2. Un cornet d'eclairage 4 est dispose au sommet de ('antenne sabre, a I'arriere par 25 exemple de maniere a surplomber le reseau reflecteur 3 et oriente de maniere a I'illuminer le plus efficacement possible. Un faisceau d'ondes circulaire 9 issu du cornet d'eclairage 4, c'est-a-dire compose d'ondes spheriques partant dans toutes les directions, est reflechi par le reseau reflecteur 3 en un faisceau d'ondes planaires, c'est-a-dire compose d'ondes 30 dans une unique direction. Cette direction de reflexion depend du dephasage relatif du champ rayonne par les elements du reseau reflecteur. En commandant la modulation de ce dephasage, it est aise de changer la direction dans laquelle le faisceau est reflechi et ainsi de viser un satellite geostationnaire. Toutefois cette technologie de reseau reflecteur ne permet 35 pas de reflechir un signal de qualite en dehors d'un cone de 60 degres axe sur la direction normale au reseau reflecteur. Cette antenne ne suffit donc pas a elle seule a couvrir une portion de I'espace suffisante pour esperer pointer n'importe quel satellite geostationnaire. Pour cette raison, deux autres reseaux reflecteurs 5 et 6 sont avantageusement disposes a plat verticalement de part et d'autre des faces de la plaque conductrice formant I'antenne sabre. Deux cornets d'eclairage 7 et 8 sont disposes au pied de I'antenne sabre dans le plan du reseau reflecteur 3 en regard des reseaux reflecteurs 5 et 6 et orientes de maniere a les illuminer le plus efficacement possible. Par le meme principe que precedemment decrit, des faisceaux d'ondes circulaires 10 et 11 issus des cornets d'eclairage 7 et 8 sont reflechis par les reseaux reflecteurs 5 et 6 en faisceaux d'ondes planaires. Si chacune des deux antennes a reseau reflecteur laterales a la meme limitation en couverture angulaire que celle disposee au pied de I'antenne sabre, ('ensemble realise par les trois antennes a reseau reflecteur a en revanche une couverture angulaire totale bien plus etendue. Par exemple les faisceaux d'ondes emis et reflechis sont dans la bande de frequence X, Ku ou Ka, c'est-a-dire entre 10 et 35 gigahertz.
Les figures 3a et 3b illustrent la couverture angulaire de I'antenne a reseau reflecteur 3 de I'exemple precedent de realisation d'un dispositif selon I'invention. La figure 3a met en evidence par une vue de profil la couverture angulaire du dispositif dans un cone droit de 60 degres de demi-ouverture axe sur la direction normale 20 au reseau reflecteur 3. La figure 3b met en evidence par une vue de face la portee angulaire du dispositif dans ce cOne. Toute la portion d'espace se situant au-dessus de I'appareil est couverte.
Les figures 4a et 4b illustrent la couverture angulaire des antennes 30 a reseaux reflecteurs 5 et 6 de I'exemple precedent de realisation d'un dispositif selon I'invention. La figure 4a met en evidence par une vue de dessus, d'une part la portee angulaire du dispositif dans un cOne droit de 60 degres de demi ouverture axe sur la direction normale 21 au reseau reflecteur 5, et d'autre 35 part la portee angulaire du dispositif dans un cOne droit de 60 degres de demi-ouverture axe sur la normale 22 au reseau reflecteur 6. La figure 4b met en evidence par une vue de face la portee angulaire du dispositif dans ces deux cones. Toute la portion d'espace se situant a droite comme a gauche de I'appareil est couverte.
Ainsi le dispositif selon I'invention ne laisse subsister que deux zones d'ombre, ('une vers ('avant de I'appareil et I'autre vers I'arriere. Chacune de ces zones d'ombre forme un cone droit de 30 degres de demiouverture environ et axe longitudinalement a I'appareil. Mais it faut noter que les solutions actuelles a base d'asservissement mecanique ou de balayage electronique classique presentent egalement des zones d'ombre, souvent dues aux equipements mitoyens. Dans le cas du dispositif selon ('invention, seul un satellite situe tres loin devant I'appareil ou tits loin derriere ne pourra titre pointe.
Or it a ete constate que la position des satellites vises et les trajectoires suivies par les vols long courrier dans lesquels les services IFE aux passagers seront majoritairement proposes, des vols est-ouest et notamment transatlantiques, ne necessitent pas de pointer un faisceau dans ces directions. Le dispositif selon I'invention est donc tout a fait adapte a la transmission des informations des systemes IFE. Ne presentant pas par ailleurs les difficultes de maintenance, les problemes de fiabilite ou encore de surconsommation des solutions actuelles a base d'asservissement mecanique ou de balayage electronique classique, le dispositif selon !'invention presente donc bien un interet economique majeur.
Le mode de realisation decrit par les figures utilise des reseaux reflecteurs directifs par dephasage relatif du champ rayonne par des elements. Mais !'invention peut titre mise en oeuvre en utilisant n'importe quelle autre technologie de plan reflecteur directif.30

Claims (4)

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'emission et/ou de reception d'ondes electromagnetiques pour aerodynes caracterise en ce qu'il comporte : - une antenne sabre (2) presente sur le dessus du fuselage de ('aerodyne ; - un reseau reflecteur principal (3) dispose horizontalement au pied de ('antenne sabre ; - un cornet d'eclairage principal (4) dispose au sommet de ('antenne sabre, le cornet illuminant le reseau reflecteur principal ; deux reseaux reflecteurs secondaires (5, 6) disposes verticalement de part et d'autre des faces de ('antenne sabre ; deux cornets d'eclairage secondaires (7, 8) disposes au pied de ('antenne sabre dans le plan du reseau reflecteur principal, chaque cornet illuminant run des reseaux reflecteurs secondaires ; chaque reseau reflecteur reflechissant les ondes (9, 10, 11) emises par le cornet d'eclairage ('illuminant.
2. Dispositif d'emission et/ou de reception d'ondes electromagnetiques pour aerodynes selon la revendication 1, caracterise en ce que le reseau reflecteur principal (3) ou run des reseaux reflecteurs secondaires (5, 6) est un reseau reflecteur directif permettant de reflechir toutes les ondes dans une meme direction.
3. Dispositif d'emission et/ou de reception d'ondes electromagnetiques pour aerodynes selon la revendication 1, caracterise en ce que le reseau reflecteur principal (3) ou run des reseaux reflecteurs secondaires (5, 6) est un reseau d'elements rayonnants directif par dephasage relatif du champ rayonne par les elements.
4. Dispositif d'emission et/ou de reception d'ondes electromagnetiques pour aerodynes selon ('une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que les ondes reflechies sont dans la bande de frequence X, Ku ou Ka.
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