Brevet FR2051683A1 — publié le 19710409

La présente invention concerne un nouveau dispositif d'anten ne et un nouveau procédé assurant un rayonnement d'énergie, dans le système de radionavigation aérienne omnidirectionnel à très haute fréquence dit "Système T.O.R»"» 5 Depuis plusieurs années, l'aviation commerciale aux Etats- Unis d'Amérique utilise le système de radionavigation aérienne Y. O.R.. Fondamentalement, ce système fournit une information gonio-métrique à un avion en lui transmettant deux signaux dont l'un est Tin signal de référence indiquant le Uord et dont le second va 10 rie dans le temps avec l'azimut de l'avion récepteur. En. relevant la différence de phase entre les deux signaux reçus, on peut déterminer l'azimut du récepteur par rapport à la station émettrice. La réalisation pratique du système fondamental exige la transmission d'uiB onde porteuse modulée par une onde rotative. "15 Pour générer l'onde rotative, les tout premiers systèmes utilisaient une antenne tournant réellement dans l'espace5 toutefois, ces premiers systèmes ont été rapidement remplacés par d'autres qui font tourner le signal électriquement et évitent ainsi tout mouvement mécanique. La rotation électrique s'obtient en appli-20 quant deux fréquences de "bande latérale à variation sinusoïdale, en quadrature, à une antenne fixe pour engendrer un diagramme en forme de cardioïde tournant. La porteuse modulée résultante.se présente sous la forme d'une limacoïde tournant dans l'espace, de telle manière qu'un maximum défini soit reçu par un avion une 2$ fois par tour de cette limacoïde. Lorsque le maximum de la limacoïde, dans sa rotation, passe par le Nord, un signal de référence est transmis pour indiquer une relation de phase zéro entre le maximum de la limacoïde et le Nord à cet instant particulier. Corn me précédemment indiqué, la relation de phase entre la réception 30 du signal de référence et celle du maximum de la limacoïde par l'avion détermine l'azimut de celui-ci par rapport à la station émettrice. Des réseaux d'antenne permettant de réaliser le système décrit ci-dessus ont été mis au point et sont actuellement en servi-35 ce, mais ils sont caractérisés par certains problèmes. Tout d'abord, le dispositif d'antenne actuellement d'usage général (anten ne Alford) ne peut être directement connecté à un mât de support central en raison du problème de la polarisation verticale et doit être isolé de son pied étant donné qu'aucun point de la bou-40 cle n'est au potentiel de la terre. En conséquence, il est peu , 70 25276 2 2051683 pratique au point de vue construction, et impossible électriquement, de construire un dispositif d'antenne Alford formé de plateaux ajourés superposés ou "claies". Etant donné que, comme il est,bien connu, le montage des antennes en claies est désirable 5 pour conformer le diagramme rayonné, le dispositif d'antenne Alford est limité par inhérence à cet égard. . Un second problème est la nécessité de recouvrir les éléments d'antenne pour protéger la construction relativement délicate des boucles rayonnantes, leurs composants d'adaptation d'impédance et, en particulier, les isola 10 teurs contre les intempéries. La solution adoptée a été de disposer un radôme au-dessus de l'antenne. Un troisième problème est posé par la réflexion des signaux rayonnés par des arbres, bâtiments ou collines voisins. On s'est efforcé de résoudre ce dernier problème en nivelant de larges zones de terrain autour de 15 l'emplacement de l'antenne, généralement plusieurs hectares et en construisant un contre-p oids au-dessus de la surface du sol à un niveau approprié au-dessous de l'antenne. Malheureusement, les solutions ci-dessus ont créé à leur tour des problèmes supplémentaires dans l'utilisation du système 20 V.O.R.. Les accumulations de glace et de neige sur le radôme ou sur le contre poids ont créé dans certains cas des diagrammes pré sentant une forte distorsion en raison de la réflexion par la nei ge et la glace. En outre, il est évident que le dégagement de lar ges zones permettant d'établir des postes d'antenne convenables 25 est une solution peu pratique dans les-régions très peuplées et est toujours une solution coûteuse. L'invention prévoit de disposer des éléments rayonnants autour du mât de support central, de telle manière que le mât puisse assurer une connexion métal-sur-métal avec les éléments rayon-50 nants sans provoquer de distorsion du diagramme de rayonnement et sans devenir lui-même un radiateur. L'invention élimine la nécessité de placer des radômes au-dessus des éléments rayonnants et de prévoir un contrepoids lorsque l'antenne est disposée en claies. La disposition de l'antenne en claies est facilitée par 35 l'invention. L'invention a principalement pour objet de créer .un procédé et des moyens d'émission de signaux V.O.R. réduisant au minimum les considérations relatives aux intempéries et à l'emplacement. Un autre but connexe de l'invention est de créer un disposi-40 tif d'antenne dans lequel la nécessité d'un contre-p oids est él'i- 70 25Î?6Ù" 3 2051683 minée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins joints, qui en représentent, à titre d'exemple non limitatif, plusieurs modes de 5 réalisation. Sur ces dessins : - lès fig.1 et 1a sont des vues en perspective d'un dispositif d'antenne de la technique antérieure utilisé dans un système V;O.R.; les boucles d'antenne sont représentées schématiquement; 10 - la fig.2 représente un réseau monté sur pylône avec des éléments rayonnants disposés l'un au-dessus de l'autre le long d'un mât central; - la fig.3 représente un mode de réalisation préféré d'une boucle et d'un réseau d'antenne suivant l'invention; 15 - la fig.4- est un schéma représentant des plans de symétrie électriques; - la fig-5 représente un autre mode de réalisation du réseau d'antenne, et - la fig.6 représente un dispositif de distribution V.O.R. 20 destiné à être utilisé dans une antenne en réseaux superposés. Les fig.1 et 1a représentent le type de configuration d'antenne généralement utilisé dans les systèmes V.O.R. actuellement. Quatre boucles d'antenne 10, 11, 12 et 13» sont représentées sché matiquement, chacune sur son propre pied, comme indiqué en 14, 15» 25 16 et 17» respectivement. Les pieds sont représentés comme s'éten dant vers le bas jusqu'au contrepoids 26 du type en. toile métallique et, bien que cela ne soit pas représenté, ils sont prolongés vers le bas jusqu'à un support et-un accessoire de terminaison convenables.' 3)e l'énergie V.O.R. à très haute fréquence est trans 30 mise aux boucles par des lignes de transmission coaxiales logées à 1'intérieur" des pieds 14 à 17- Les lignes de transmission parti culières 18 et 19 alimentant la.boucle 10 sont représentées avec une connexion" type. La boucle 10, qui constitue un exemple des quatre bouclés, comporte des condensateurs 20-23 disposés dans 35 chacun de ses coins. Le fonctionnement électrique des boucles est décrit dans'-les Brevets des Etats-Unis d'Amérique ÏT° 2.283.897 et 2.3?2.'651 . Le.'r.adônie est représenté en 24 et le contre poids est indiqué, eh 26. Lë- contre p oids présente généralement un rayon de neuf 40 mètres ou plus et est, le plus souvent, placé environ %■ longueur 70 25276 4 2051683 d'onde au-dessous du plan des boucles rayonnantes". Le contrepoids doit être suffisamment grand et doit être placé suffisamment haut au-dessus du sol pour qu'un rayonnement provenant des boucles soit dégagé de tous obstacles dans le plan horizontal vers l'hori 5 zon et que les réflexions provenant de rayonnements dirigés vers le bas soient maintenues à une valeur minimale. Des isolateurs, non représentés, sont prévus au sommet de chaque pied, entre celui-ci et la bouclé correspondante de façon à empêcher les pieds de produire des quantités appréciables de 10 rayonnement de distorsion dues à une simple conduction. Même dans' ces conditions, une certaine quantité d'énergie haute-fréquence est induite dans chaque pied par le rayonnement des boucles qui ne sont pas montées sur le pied considéré. En conséquence, le signal rayonné présente un certain degré de polarisation verticale. 15 II est à noter que de l'énergie induite provenant de la boucle as sociée n'est généralement pas présente sur le pied en raison de la disposition symétrique de la boucle sur le pied. La fig.2 représente un dispositif d'antenne monté sur pylône suivant l'invention dans lequel cinq claies ou réseaux 30-34 su-20 perposés sont représentés montés sur un mât central 35* Le mât 35 peut être haubanné comme indiqué en 36 et 37* La fig.3 représente un mode de réalisation préféré de la bou cle d'antenne suivant l'invention qui rend pratique la construction représentée sur la fig.2. La fig.3 représente l'un quelconque 25 des réseaux d'antenne 30-34 de la fig.2-étant donné que tous les réseaux sont identiques. A titre d'illustration, on a représenté le réseau d'antenne 30 sur la fig.3« Sur la fig.3, le réseau d'antenne 30 est représenté comme comprenant quatre boucles identiques 40, 41» 42 et 43. En raison 30 de cette identité» seule la boucle 40 a été représentée complètement. On voit qu'elle comprend des éléments rayonnants 50, 51, 52 et 53 présentant chacun un entrefer de transition, comme indiqué en 54, 55* 56 et 57 situé sensiblement au milieu de l'élément cor respondant. Les quatre éléments 50-53, qui sont de construction 35 tubulaire, sont assemblés dans les coins 61 et 63 suivant une con figuration approximativement carrée. Electriquement, chacun des éléments est alimenté à partir d'une jonction quadruple représentée en 65, par l'intermédiaire de lignes d'alimentation ou fee-ders 71-74 disposés dans les bras radiaux 66, 67, 68 et 69. Les 40 bras radiaux tabulaires 66-69 s'étendent dans le plan des éléments 70 25276 5 2051685 rayonnants entre ia jonction 65 et. les coins et ils jouent à la fois le rôle de support mécanique pour les éléments rayonnants et de conduite. La ligne de transmission coaxiale 70, qui alimente en énergie la boucle 40, s'élève à l'intérieur du mât central 5 creux 35 et est connectée à la jonction 65, par l'intermédiaire du bras radial 68. La ligne coaxiale 70 est subdivisée, à la jonction 65 en quatre lignes d'alimentation coaxiales séparées 71-74 qui traversent .chacune l'un des bras radiaux respectifs 66-69 pour aboutir dans un élément rayonnant correspondant 50-53 • Une 10 connexion est établie à travers l'entrefer de transition en reliant le conducteur extérieur à l'élément d'un côté de l'entrefer et le conducteur intérieur à l'élément de l'autre côté de l'entre fer. Par exemple, sur la fig.3, le conducteur extérieur 75 est représenté connecté à l'élément 51» sans traverser l'entrefer de 15 transition 55» tandis que le conducteur intérieur 76 traverse cet entrefer et est connecté à l'élément 51 cLe l'autre côté de l'entrefer. Un réseau de compensation d'impédance est représenté en 77- On comprendra mieux le fonctionnement électrique de la bou-20 cle 40 en examinant la fig.4. Sur cette figure, les éléments structurels de la boucle sont représentés schématiquement comme comportant des excitations identiques, au niveau des entrefers de transition 54-57• Les courants des diverses sous-boucles triangulaires de l'élément 40 sont représentés par Etant donné 25 qu'une sommation des courants dans l'élément radial 66 implique l'addition de courants opposés 1^ et Ig, il est clair qu'il n'y a aucun passage de courant résultant dans l'élément radial 66 si 1^ et Ig sont égaux. Etant donné que la structure est symétrique de part.et d'autre des lignes A-A et B-B, les fonctions de courant 30 doivent également être symétriques par rapport à ces lignes. Il en résulte que 1^ = Ig et que, par conséquent, les éléments radiaux ne sont pas excités et n'apportent aucune contribution au rayonnement. Il est imp'ortant de noter- également que le potentiel entré 35 les coins 60 et 62 et entre les coins 61 et 63 doit être nul étant donné qu'un choix de parcours de 60 à 62 ou de 61 à 63 comprend deux sources opposées et égales; par exemple, le parcours 60-61-62 est égal et opposé au parcours 60-63-62. En fait, des lignes tracées entre 60 et 62 et entre 61 et 63 s'étendent dans 40 des plans de potentiel nul normaux au plan de la boucle. Etant 70 25276 6 2051683 donné que des plans passant par les coins de la boucle sont au potentiel zéro» un support métallique peut être directement lié à la boucle dans un coin quelconque sans affecter les caractéristiques de rayonnement de l'antenne et sans que ce support devienne 5 lui-même un radiateur. En conséquence, le mât 35 ne présente que peu ou pas de polarisation verticale due à de l'énergie haute-fré quence dans le mât 35 représenté sur les fig.2 et 3 en raison de la connexion physique métal-sur-métal des quatre boucles avec le . mât. Bien entendu, le. circuit équilibré présuppose une orientale tion convenable des connexions à travers les entrefers de transition et un dispositif de distribution convenablement construit pour exciter l'antenne. En outre, on peut également observer que la polarisation verticale due à des courants induits dans le mât 35 est essentiellement éliminée par la symétrie de la structure. 15 On va maintenant examiner à nouveau la fig.2, sur laquelle on "peut voir un ensemble vertical d'éléments rayonnants disposés en claies superposées. Le but de cet agencement est d'obtenir un diagramme de rayonnement conformé qui produit de très faibles quantités de rayonnement au-dessous du plan horizontal de lacLaie 20 inférieure (30). En conformant dé cette manière le diagramme, le rayonnement provenant du sol, des arbres et des bâtiments environ nants est maintenu insignifiant et, par conséquent, la nécessité de dégager de larges zones de terrain et de construire des contre poids de grande dimension et lourds est éliminée. L'idée d'utili-25 ser des ensembles verticaux n'est pas nouvelle, mais jusqu'à présent, l'agencement vertical en claies superposées d'antennes V.O. S. convenables était irréalisable en pratique. Un examen de la technique antérieure, dont un exemple est donné sur la fig.1 avec ses pieds, ses isolateurs, ses radômes, ses dispositifs de charge 30 de capacité, etc., montre combien il est peu commode de construire et d'ajuster un tel dispositif. Par contre, avec le dispositif suivant l'invention, il est possible de réaliser une structure d'antenne verticale disposée en claies superposées matériellement saine. - 35 Une autre caractéristique importante de l'invention non en core mentionnée réside en ce que les bouclés d'antenne sont conçues comme des antennes à large bande et ne nécessitent pas l'ajustement critique qui était indispensable pour faire fonctionner convenablement les boucles Y.O.R. de la technique antérieure. 40 Sur la fig.2, un réseau d'antenne 31 est disposé sur le mât 70 25276 7 2051683 central 35 à -une certaine distance au-dessus du réseau 30. D'une manière analogue, d'autres réseaux ou claies 32, 33 et 34- ont été disposés à des intervalles appropriés au-dessus du réseau 31• Tou tes les claies sont formées de "boucles fixées dans leurs coins 5 identiques à celle qui est représentée sur la fig.3. A ce stade, il est bon de noter que l'addition des claies 32, 33 et 34 est principalement désirable pour augmenter la puissance du signal rayonné. Deux claies sont généralement suffisantes pour conformer le diagramme rayonné de telle manière que la nécessité d'un con-10 trepoids soit éliminée. La figure 5 est une représentation d'une forme différente mais analogue de l'invention. Les éléments rayonnants 90-93 sont représentés comme représentant une configuration arrondie et les "bras radiaux adjacents de chaque "boucle sont représentés assem-15 "blés en "bras radiaux uniques 80-83- La fig.5 représente un mât central 35 sur lequel les "bras radiaux 8Q-83 sont montés. Comme dans le cas de la fig.3> les "bras radiaux s'étendent de préférence à partir du mât jusqu'aux éléments rayonnants dans le plan de ceux-ci. Ici encore, la construction des bras radiaux et des élé-20 ments rayonnants est tubulaire ou creuse, de manière à permettre le passage du câble coaxial jusqu'à sa terminaison à travers l'en trefer de transition respectif. Les entrefers de transition sont représentés en 94-9?. Cette variante de l'invention se prête au même type d'analy-25 se électrique que celle qui a été faite précédemment à propos de la fig.4. Ni les excitations de porteuse, ni les excitations de bandes latérales ne produisent de courant dans le mât central vertical 35. Dans le cas d'une excitation de porteuse, les courants s'anriu 30 lent sur les éléments radiaux de sorte qu'aucun courant résultant n'est disponible pour exciter le mât. En ce qui concerne l'excita tion de bandes latérales, les courants radiaux de chaque moitié d'une même boucle sont de sens opposés, au niveau du mât 35• Ici encore, le mât est donc relié à un zéro de courant et, par consé-35 quent, reste non excité. Un dispositif de distribution permettant de fournir de l'énergie V.O.R. à une antenne à cinq claies est représenté sur la fig.6. Avec le schéma de connexion représenté, le dispositif peut être considéré comme une antenne V.O.R. à quatre boucles, chaque 40 boucle comprenant, en fait, une superposition verticale de cinq 70 25276 8 2051683 boucles élémentaires. Cette-disposition a l'avantage de n'exiger qu'Une seule- p'aire de ponts-haute-fréquence:.ou jonctions, différen tielles. La variante qui consisterait àïdisp.ose;r-.-en un, ensemble vertical cinq antennes Y.O.R*-*. réduirait, le Boa-bre^cle; ■■àiYisews? 5 de puissance mais nécessiterait-l ' addition de plusieygcs; ponts hau; te-fréquence supplémentaires . • - - • ". . 'A vi •• Sur-lâ"'fig.6, l'énergie haute-fréquence-de la^porteuset est-représentée ' appliquée,-par 1 '-interméidiair.e de.Jla. borne.. d-' entrée 100, qui est connectée au diviseur de- puissance* 101.. Celui-ci est, 10 à son tour, connecté à chacun de deux ponts haute-fréquence 102 et 103. Le premier quadrant de l'antenne à quatre boucles est représenté alimenté, à. partir du pont 102, par l'intermédiaire d'un diviseur de puissance quart-d*onde 104. Le' diviseur de puissance 104 excite donc la boucle 40 du réseau 30 Des signaux de bandes latérales sont appliquées aux bornes 120 et 121 des ponts haute-fréquence et, comme précédemment décrit , ils doivent être en quadrature électrique. On voit donc que 20 des excitations de porteuse et des excitations de bandes, latérales sont appliquées aux éléments rayonnants. Des tronçons supplémentaires de ligne de transmission sont représentés en 130-133; ils ont pour but d'adapter les longueurs de ligne des boucles inférieures à celles des boucles supérieures. 23 La conformation du diagramme de rayonnement est obtenue en ajustant convenablement en phase les signaux rayonnes à partir de chacune des boucles superposées de sorte que'les composantes de rayonnement dirigées vers le bas, c'est-à-dire en direction du sol, sont pratiquement éliminées. 30 On voit donc que la présente invention permet de réaliser une antenne V.O.R. de construction robuste évitant toute nécessité de radômes protecteurs, lourds contrepoids et grandes superficies de terrain dégagées. " • '' : ' "u Bien entendu, l'invention n'est"nullément limitée'aux modes 35 de réalisation décrits; elle' est susceptible dê hbmb^ëti^se's vaifiéït tes, suivant les applications envisagées,' sans"sreékiPtrër pour cela. du domaine de l'invention. Par exemple"", lesJIjrâs'"et 'éléments creux .pourraient être remplacés par des:'pièces pleines1^ 'ï'bri pourrait alors prévoir des colliers pour fixer un c'âblê' cô'aJeiâl 40 extérieur. 70 25276 - 9 2051683 KEVEHDIGATIONS '1.- Dispositif d1 antenne caractéris é en. ee qu'il comprend des éléments rayonnants1 V.O.R. de construction creuse assemblés en une configuration géométrique dans le plan horizontal, des -5 bras radiaux de construction creuse s'étendant vers l'intérieur dans le plan desdits éléments entre la jonction de ceux-ci et tme borne disposée centralement, un entrefer de transition.disposé au point milieu de chacun desdits éléments, un mât de support connec té en contact métal-sur-métal auxdits éléments, des moyens de 10 transmission, coaxiaux s'étendant à travers ledit mât jusqu'à la borne disposée centralement, des lignes d'alimentation coaxiales connectées à ces moyens de transmission coaxiaux et. s*étendant à partir de la borne disposée centralement à travers les bras creux et les éléments ;creux jusqu'aux entrefers de transition, l'un des . 1^ conducteurs de chacune des lignes d'alimentation coaxiales étant connecté à l'un des éléments précités d'un premier côté.de l'entrefer de transition respectif et l'autre conducteur s'étendant à travers ledit entrefer et étant connecté audit élément, du côté opposé dudit entrefer, moyennant quoi de l'énergie,V.O.R. peut 20 être appliquée aux éléments rayonnants sans que le mât de support devienne lui-même un radiateur,. 2.- Antenne V.O.R. comprenant deux ou plusieurs claies super posées caractérisée en ce, que chacune de ces claies est constituée par un dispositif d'antenne V.O.R., tel que décrit dans la revendi 25 cation ,1. ; 3»- Antenne suivant la revendication 2, caractérisée en ce que de l'énergie V.O.R. est transmise aux éléments rayonnants par les moyens de transmission coaxiaux, par.l'intermédiaire d'un réseau comprenant un moyen diviseur de puissance et un moyen for-30 mant pont haute-fréquence. 4..- Antenne suivant la revendication 3» caractérisée en ce que ledit réseau comprend quatre lignes de transmission coaxiales de sortie séparées alimentant, respectivement, des éléments rayon i nants correspondants aux divers niveaux de l'antenne étagée, par 35 l'intermédiaire de moyens comprenant des moyens diviseurs de puis sance supplémentaires. : 5«- Structure d'antenne V.O.R. comprenant quatre dispositifs d'antenne V.O.R. identiques suivant la revendication 1, caractéri sée en ce que chacun de ces dispositifs comprend une boucle et en 70 25276 ce que chaque boucle est montée de façon rigide et symétriquement en contact métal-sur-métal avec le mât de support vertical à l'une des jonctions entre les éléments précités. 6.- Antenne Y.O.K. comprenant deux ou plus de deux claies 5 superposées, caractérisée en ce que'chacune de ces claies est constituée par un réseau d'antenne V.O.R. suivant la revendication 3« 7»- Antenne suivant la revendication 6, caractérisée en ce que de l'énergie Y.O.S. est transmise aux éléments rayonnants par 10 les moyens de transmission coaxiaux, par l'intermédiaire d'un réseau comprenant des moyens diviseurs de puissance et des moyens formant pont haute-fréquence. 8.- Antenne suivant la revendication 7» caractérisée en ce que ledit réseau comprend quatre lignes de transmission coaxiales 15 de sortie séparées alimentant, respectivement, des éléments rayon nant's correspondants, aux divers niveaux de l'antenne étagée, par l'intermédiaire de moyens comprenant des moyens diviseurs de puis sance supplémentaires. , • -- « • 9.- Procédé permettant d'assurer un rayonnement d'énergie 20 V.O.R., caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant à disposer des éléments rayonnants d'antejme suivant line con figuration géométrique, à monter ces éléments symétriquement en contact métal-sur-métal avec un mât de support vertical, à fixer deux ou plus de deux réseaux de ces éléments sur ce mât vertical, 25 les uns au-dessus des autres, à des intervalles appropriés, à appliquer de l'énergie V.O.R. à ces éléments, par l'intermédiaire d'une ligne de transmission disposée dans le mât, et à connecter cette ligne de transmission auxdits*éléments de"telle manière que le mât.de support vertical ne soit pas excité par cette énergie 30 V.O.R., moyennant quoi celle-ci peut être rayonnée vers des postes récepteurs éloignés, de manière à leur fournir une information goniométrique. 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