Brevet FR2104689A1 — publié le 19720421

La présente invention se rapporte aux antennes de radio-phares omnidirectionnels à mesure de phase, destinés à la ra-dionavigation et plus particulièrement aux antennes des radio-phares O.R.B., initiales de l'expression anglo-saxonne de Omni-5 range Beacon, ou Y.O.R. abréviation de V.H.P. omnj»range, V.H.P. étant lui-même l'abréviation de l'expression anglo-saxonne bien connue "very high frequency". On sait que le système d'antenne d'un radiophare, du type ? 0 R , par exemple, qui permet une mesure de phase, en basse 10 fréquence, caractéristique de l'azimut, rayonne simultanément sur la même fréquence porteuse, deux composantes de champs électromagnétique polarisées horizontalement. Le diagramme en azimut du lobe de la première composante est idéalement celui d'une antenne cadre de dimensions infinité-15 si maies, en forme de deux cercles identiques, tangents en un point se confondant avec ledit cadre, ledit diagramme tournant par exemple à la vitesse de 30 tours par seconde. Le diagramme en azimut dut lobe de la deuxième composante est omnidirectionnel. 20 Ces deux lobes doivent posséder le même centre de phase et le même diagramme en site. Par un choix approprié du rapport des amplitudes de chaque lobe, leur combinaison permet d'obtenir en azimut, un diagramme tournant cardioîlal qui donnera lieu sur une direction d'observa-25 tion donnée, à une modulation en amplitude à 30 Hz dont la phase est indépendante du site de la direction mais caractérise l'azimut de cette direction qui est mesurée par comparaison de ladite phase avec la phase de référence de ce même signal de modu-% lation transmis sur le deuxième lobe, par exemple par l'intermé-30 diaire d'une double modulation d'amplitude. Le diagramme tournant du premier lobe est obtenu généralement en réalisant deux diagrammes fixes identiques disposés en quadrature, obtenus à l'aide de deux signaux à haute fréquence, identiques et en phase, modulés par une même fréquence de modu 70 26431 2 2104689 lation, correspondant à la vitesse de rotation du lobe résultant, par exemple 30 Hz, mais appliqué en quadrature aux signaux correspondant à chacun des deux diagrammes. Dans l*art connu, la réalisation de ces deux lobes est possi-5 ble à l'aide de trois solutions distinctes, la première solution, la plus ancienne historiquement, utilise dans sa forme la plus évoluée une combinaison de quatre boucles à courant constant /également connues sous le nom de cadrés Alford. Le couplage des éléments en est délicat et le système 10 rayonne une composante de polarisation verticale importante qu' il faut filtrer, d'où les inconvénients d'une grande sélectivité de l'ensemble et des réglages délicats. La deuxième solution utilise une ou plusieurs combinaisons de deux dipôles croisés. L'alimentation en est simple, mais cet-15 te solution présente, comme la précédente, l'inconvénient d'un rayonnement à polarisation verticale dont on. ne peut se protéger efficacement qu'à l'aide d'une cage de dimensions importantes. La troisième solution est constituée par une antenne à fentes essentiellement constituée d'un cylindre de révolution muni 20 de quatre fentes parallèles à l'axe du cylindre et orientées à 90° les uns des autres. Le rayonnement à polarisation vertical est ainsi évité mais le coupylage des fentes entre elles exige , d'introduire des éléments de réglages réagissant sur la symétrie des diagrammes « 25 La présente invention concerne les aériens appartenant à cette troisième catégorie et a pour objet de pallier les inconvénients cités. Selon l'invention, l'antenne de radiophares rayonnant une première composante de champ électromagnétique modulée en ampli-30 tude par un premier signal modulant dont la phase est -représentative de l'azimut du point oh. il est reçu, et une deuxième composante dudit champs, porteuse d'un deuxième signal modulant dont la fréquence est identique à celle dudit premier signal mais dont la phase est indépendante dudit azimut et sert de référence, est 35 caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens pour rayonner les- 70 26431 3 2104689 dites première et seconde composantes comprenant quatre tubes métalliques, parallèles, verticaux, de même longueur et de même-section, fermés à chaque extrémité par une plaque métallique corn-m une auxdits quatre tubes, les éléments d'excitation de ladite 5 antenne étant au nombre de quatre et contenus dans un plan mené perpendiculairement auxdits axes et à une distance prédéterminée desditee plaques, la disposition desdits tubes étant telle que les intersections desdits axes avec ledit plan constituent les sommets d'un quadrilatère rectangle, chaque élément étant cons-10 titué d'un fil métallique se confondant respectivement avec chacun des quatre côtés dudit quadrilatère et raccordé par une de ses extrémités à un desdits tubes, et en ce qu'elle comprend en outre des moyens pour alimenter ladite antenne en énergie radio-électrique et des moyens pour coupler lesdits moyens d'alimenta-15 tion à un premier et à un deuxième générateurs délivrant l'énergie à haute fréquence correspond respectivement auxêlites première et deuxième composantes. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront a l'aide de la description et des dessins joints 20 sur lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une antenne à fente élémentaire selon l'invention \ - la figure 2 est une coupe transversale d'une antenne selon l'invention , 25 - la figure 3 est un schéma de principe d'un circuit d'alimenta- / tion , - la figure 4 est une vue en perspective d'une variante de la figure 2 , - la figure 5 est une variante de la figure 2 , 30 - la figure 6 est une vue en perspective d'un groupement de deux antennes selon la figure 4. Sur la figure 1, sont représentés, en coupe verticale contenant leare axes, deux tubes cylindriques métalliques 1 et 2, de même longueur L et de même diamètre D, fermés à leurs extrémi-35 tés par des plaques 3 et 4* communes aux deux tubes. 70 26431 4 2104689 Ils sont séparés l'un de l'autre par une distance d» Un câble coaxial 5 traverse la plaque 4 pour pénétrer à l'intérieur du tube 1 j son conducteur extérieur 6 est relié à la périphérie d'une ouverture 7 pratiquée dans le tube 1, à une distance 1 de 5 la plaque 4 et son âme intérieure 8 est connectée en 9 à la surface extérieure du tube 2. L'élément d'excitation 10 ainsi réalisé est situé dans le plan de coupe, perpendiculairement ê,ux axes des cylindres 1 et 2, L'élément rayonnant ainsi réalisé présente des caractéristi-10 ques analogues à celles d'une fente verticale dans un plan infini, malgré une répartition du courant sensiblement différente. Si % est la longueur d'onde sur laquelle l'élément est excité, les valeurs suivantes approximatives de ses dimensions, : (1) d ^ 0,03 % , L , D ^ 0,06 % 15 permettent d'obtenir un diagramme de rayonnement dans le plan horizontal,équivalant à celui du dipÔle élémentaire, avec une composante de champ, en polarisation verticale très atténuée, à plus de 30 cLB par rapport au rayonnement en polarisation horizontale. Dans le plan vertical le diagramme obtenu est celui d'un di~ 20 pôle de longueur L. L'adaptation du câble coaxial 5 peut être aisément obtenue par un choix adéquat de la distance 1 et un ajustement de la longueur L a une valeur légèrement inférieure à 1 /V . Un tel élément rayonnant se prête particulièrement bien à la 25 constitution de groupement comportant plusieurs de ces éléments. Sur la figure 2, où les mêmes lettres et chiffres repères que ceux de la figure 1 désignent les mêmes organes, quatre antennes élémentaires, analogues à celles de la figure 1, sont représentées en coupe horizontale effectuée au niveau du point d'ali-30 mentation. Deux tubes cylindriques supplémentaires 14 et 15, disposés en carré avec les tubes 1 et 2, permettent de réaliser quatre antennes identiques, l'ensemble correspond alors à une première paire d'antennes constituée des éléments d'excitation 10 et 12 se présentant tête bêche l'un par rapport à l'autre et ali-35 mentes respectivement par les câbles coaxiaux 8 et 16, et -une 70 26431 5 2104689 deuxième paire d'antennes identique à la première mais en quadrature avec elle, constituée des éléments d'excitation 17 et 18 et des câbles coaxiaux correspondants 19 et 20. Le respect des conditions (1) énumérées ci-dessus, c'est-à-5 dire essentiellement la réalisation d'un écartement entre les éléments d'excitation suffisamment réduit par rapport à la longueur d'onde du signal auquel ils sont soumis, permet d'obtenir, par alimentation en opposition de phase des excitations 10 et 12 d'une part, 17 et 18 d'autre part, deux diagrammes décalés de 90° 10 dont la forme de chacun d'eux est pratiquement identique à celle d'un élément rayonnant seul. Une modulation en quadrature des signaux alimentant chaque paire d'excitations permet d'obtenir le lobe habituel tournant au rythme de la fréquence de la modulation. L'alimentation en parallèle et en phase des quatre excitations 15 produira un rayonnement de . . ... . . . ... . . .... diagramme omnidirectionnel dans le pla.n horizontal, analogue à celui obtenu avec le cadre Alford, bien connu et centré en phase avec le rayonnement du lobe tournant, mais dont le dia.gramme de rayonnement dans le plan vertical sera celui du doublet ayant la 20 longueur L, comme dans le cas du diagramme du lobe tournant, ce qui permet de maintenir entre les deux diagrammes un rapport d'amplitude constant des champs rayonnés en fonction du site. L'emploi de tubes cylindriques à sections circulaires n'est pas le seul possible, on peut envisager par exemple l'utilisa-25 tion de tubes à section elliptique ou carrée. De même une disposition en rectangle des cylindres peut se substituer au carré. L'essentiel est de maintenir une symétrie rigoureuse de l'ensemble par rapport à chacun des deux plans de symétrie du groupe-> ment perpendiculaires entre eux, grâce à quoi les deux diagrammes 30 réalisés seront symétriques et découplés, malgré la répartition non uniforme des charges sur les faces du cylindre, imposée par le mode d'aJ imentation, car cette répartition répond à cette symétrie . L'alimentation des excitations par les générateurs de si-35 gnaux no pose pas de problèmes particuliers. 70 26431 6 2104689 Sur la figure 3, les sommets opposés 8 et 16 du circuit hybride en pont 21 et ceux 19 et 20 du circuit 22 sont raccordés aux câbles coaxiaux de mêmes repères de la figure 2. Le générateur de signaux à haute fréquence pure 23 alimente les sommets 5 24 et 25 des circuits respectifs 21 et 22 à travers le diviseur de puissance 26. Le générateur de signaux 27 alimente le sommet 29, par sa première sortie 28, et le sommet 30, par sa deuxième sortie 33, des circuits respectifs 21 et 22, en signaux de même fréquence 10 et en phase avec le générateur 23, mais modulés par une fréquence de modulation identique et en quadrature de phase entre les première et deuxième sorties. Tous les bras des circuits 21 et 22 ont une longueur électrique égale à un quart de longueur d'onde, sauf les bras 31 et 32 dont la longueur électrique est de trois ' 15 quart de longueur d1onde. Il est clair qu'un tel montage permet d'alimenter en phase les quatre excitations 10, 12, 17, 18 (figure 2), par l'intermédiaire des points de raccordement correspondants 8, 16, 19, 20, à partir du générateur de signal à fréquence pure 23, dans la 20 mesure où tous les câbles d'alimentation ont une longueur adéquate. De même le générateur 27 alimente en opposition plias e les points correspondants 8 et 16 d'une part et 19 et 20 d'autre part. Il peut être souhaitable de limiter le rayonnement d'un tel aérien au niveau et surtout en dessous de l'horizon. On sait en 25 effet que cette partie du rayonnement favorise les réceptions parasites par réflexion sur les obstacles du sol. Un contrepoids est déjà couramment utilisé pour éviter ces inconvénients, mais son diamètre doit être considérable pour être efficace, de l'ordre de plusieurs longueurs d'onde. Il en résulte un coût et un 30 encombrement excessifs qui peuvent être évités par une augmentation du gain de l'aérien dans le plan vertical. Ceci peut être obtenu simplement, de manière d'ailleurs classique, en effectuant le groupement par empilage vertical de plusieurs antennes identiques à celle décrite figure 2 et dont,les éléments correspon 70 26431 7 2104689 dants seront alimentés en parallèle par le circuit de la figure 3 -.os longueurs des câbles coaxiaux d'alimentation sont choisis de manière à introduire un déphasage donné entre les signaux alimentant chaque antenne, d'où résulte une inclinaison correspondan-5 te du lobe rayonnée au dessus de l'horizon. Le calcul et l'expérience montrent qu'un empilage de quatre antennes, dont le déphasage entre leurs alimentations est réglé pour limiter la perte sur le champ rayonné au site nul à 6 dB par rapport au champ maximal, permet d'atténuer de 12 dB environ le champ rayonné pour tin 10 site négatif.de 4°. Mais on constate que les difficultés de réglage." croissent avec le nombre d'antennes ainsi empilées, ces difficultés ont pour cause essentielle le couplage des éléments d'excitation entre eux, qui introduit un taux d'onde stationnaire important dans 15 les câbles d'alimentation, d'où résultent des perturbations dans le fonctionnement du circuit décrit figure 3. Il est possible de pallier ces inconvénients par une variante de réalisation où lo rayonnement omnidirectionnel de- la deuxième composante de champ électromagnétique est obtenue par des élc-20 irents rayonnants différents de ceux rayonnants le lobe de la première composante. Sur la figure 4, les quatre tubes 1, 2, 14 et 15 et les éléments d'excitation visibles 10 et 12, identiques à ceux représentés en coupe figure 2, sont insérés entre deux cadres rayon-25 nants identiques 40 et 41 dont les centres de symétrie coTrioident avec l'axe de symétrie des quatre tubes. Chaque cadre est coaS" titué de quatre quadrants. Les quadrants 43 et 44 sont alimentés respectivement en 47 et 43 et se terminent en formant des conden-sateurs 52 et 53 avec la terminaison des deux autres quadrants 30 respectifs identiques 45 et 46. les quâdr&aie 43 et 46 sont alimentés en parallèle d'une part et les quadrants 45 et 44 en parallèle mais en opposition le phase uvëc les précédents] constituaâtainsi une "boucle à courant constant dont le principe est bi-en connu, habitue .Lie- .... 70 26431 8 2104689 ment sous le nom de cadre Alford, dont elle se distingue essentiellement par une forme annulaire au lieu d'une forme carrée. Ce cadre demande une alimentation par ligne symétrique, alimentant également, en parallèle et en phase, le cadre 40. Cette li-5 gne est alimentée directement par le générateur 23 du circuit de la figure 2 qui se simplifie considérablement. Cette alimentation étant autonome, les circuits hybrides 21 et 22 sont inutiles et les sorties 28 et 33 alimentent directement les paires de câbles coaxiaux correspondants 8 et 16 d'une part, 19 et 20 d'autre part. 10 Du fait de cette indépendance, la différence de phase à réaliser entre les éléments d'excitation d'une même paire n'est plus obligatoirement de 180°, comme représenté sur la figure 3 et à laquelle correspond le schéma de disposition de la figure 2 pour les éléments rayonnants 10et 12 montés en sens opposé, de même 15 que les éléments 17 et 18. Une disposition telle que celle de la figure 5 devient alors possible, où chaque paire d'éléments d'excitation parallèles sont de même sens et alimentés en phase, La constitution de groupement d'antennes par empilage ver-20 tical s'effectue de la même façon que pour la réalisation précédemment décrite, il s'est avéré toutefois possible de confondre en un seul cadre rayonnant, les deux cadres qui se trouveraient côte à côte du fait de cet empilement, ce cadre unique est identique aux précédents. 25 Sur la figure 6, un empilement de deux antennes identiques à la figure 4 est représenté, où le cadre 42 tient la place d'un ensemble de deux cadres 40 et 41. Il y figure également un contre poids circulaire 50. Grâce aux propriétés indiquées plus haut, ce dernier peut 30 être réduit à un diamètre de 2 ou 3 longueurs d'ondes. En outre cette dernière variante permet d'obtenir un gain de quelque 2 dB par rapport à celle précédemment décrite pour les angles de site faible, par suite d'aplatissement du diagramme de rayonnement par rapport au diagramme omnidirectionnel ob-35 tenu avec les quatre tubes. 70 26431 9 2104689 HE7BHDI0AII0H8 1. Antenne de radiophares rayonnant une première composante de champ électromagnétique modulée en amplitude par un premier signal modulant dont la phase est représentative de l'azimut du point où. il est reçu, et une deuxième composante dudit champ, 5 porteuse d'un deuxième signal modulant dont la fréquence est iden tique à celle dudit premier signal mais dont la phase est indépendante dudit azimut et sert de référence, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour rayonner lesdites première et seconde composantes comprenant quatre tubes métalliques, parai— 10 lèles, verticaux, de même longueur et de même section, fermés à chaque extrémité par une plaque métallique commune auxdits quatre tubes, les éléments d'excitation de ladite antenne étant au nombre de quatre et contenus dans un plan mené perpendiculairement auxdits axes et à une distance prédéterminée desdites pla-15 ques, la disposition desdits tubes étant telle que les intersections desdits axes avec ledit plan constituent les sommets d'un quadrilatère rectangle, chaque élément étant constitué d'un fil métallique se confondant respectivement avec chacun des quatre côtés dudit quadrilatère, et raccordé par une de ses extrémités 20 à un desdits tubes, et en ce qu'elle comprend en outre des moyens pour alimenter ladite antenne en énergie radioélectrique et des moyens pour coupler lesdits moyens d'alimentation à un premier et à un deuxième .... générateurs délivrant l'énergie à haute fréquence correspondant respectivement auxdites première et deuxiè-25 me composantes. 2, Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit quadrilatère est un carré et ladite section un cercle, ladite distance étant déterminée en fonction de l'impédance présentée par lesdits éléments, ledit premier générateur ayant une 30 première et une deuxième sortie, la phase dudit signal modulant délivré par ladite première sortie étant en quadrature avec celle délivrée par ladite deuxième sortie. 70 26431 10 2104689 3. .ân-tenne selon la revendication 2 caractérisée en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent quatre câbles coa-xiaux associés respectivement à chacun desdits quatre éléments, chacun desdits câbles ayant une première et une deuxième extré-5 mités ot pénétrant à l'intérieur d'un desdits tubes, chacune desdites xoremières extrémités ayant son âme reliée à l'extrémité dudit fil non raccordée à un desdits tubes mais le traversant, et constituant un prolongement de ladite âme, le conducteur extérieur de ladite première extrémité étant relié, audit tube tra-10 versé, par ladite âme. 4. Antenne selon la revendication 3 caractérisée en ce que lesdits éléments sont disposés de manière à ce que chacun desdits tubes soit raccordé à l'extrémité d'un seul desdits fils et traversé par l'extrémité d'un seul desdits fils et en ce que' 15 lesdits moyens de couplage comprennent un dispositif alimentant lesdites deuxièmes extrémités en phase, à l'aide dudit deuxième générateur , et en opposition de phase, par paire de deux deuxièmes extrémités correspondant à deux desdits éléments disposés parallèlement, à l'aide dudit premier générateur, chacune des-20 dites paires étant reliée respectivement aux dites première et deuxième sorties dudit premier générateur. 5. Antenne selon la revendication 3 caractérisée en ce que lesdits moyens de rayonnement comportent en outre deux cadres rayonnants identiques dont les centrés de symétrie sont situés 25 sur l'axe de symétrie et de part et d'autre desdits tubes et en ce que lesdits moyens d'alimentation comportent en outre une ligne d'alimentation symétrique alimentant en parallèle lesdits cadres à partir dudit deuxième générateur, chacun desdits cadres étant constitué de quatre dipôles en forme de quadrant consti-30 tuant une boucle à courant constant, lesdits moyens de couplage comprenant une alimentation desdites deuxièmes extrémités, par paire de deux extrémités correspondant respectivement à deux desdits éléments disposés parallèlement, à l'aide dudit premier générateur , chacune desdites paires étant reliée respectivement 70 26431 n 2104689 auxdites première et deuxième sortie du dit premier générateur, les éléments d'une même paire étant alimentés, en phase s'ils sont de même sens et en opposition de phase s'ils sont de sens contraire* 5 6. Groupement d'antennes caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux antennes selon la revendication 4, empilées verticalement, leurs axes de symétrie étant dans le prolongement l'un de l'autre et leur alimentation étant assurée en parallèle par lesdits moyens de couplage. 10 7. Groupement d'antennes caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux antennes selon la revendication 5, empilées verticalement, leurs axes de symétrie étant dans le prolongeaient l'un de l'autre et leur alimentation étant assurée en parallèle par lesdits moyens de couplage et ladite ligne d'alimentation eymétri 15 que. 8. Groupement d'antennes selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il est substitué aux deux dits cadres rayonnanis insérés entre deux jeux desdits quatre tubes, un seul cadre rayonnant identique aux deux dits cadres.