Brevet FR2061531A1 — publié le 19710625

i 2061531 La présente invention concerne des antennes omnidirection-nelles à large bande de fréquence pour l'émission d'ondes très courtes, utilisées par exemple dans des émetteurs de télévision ou de radiodiffusion à modulation de fréquence ; elle a trait 5 plus particulièrement à des antennes constituées de plusieurs unités de rayonnement électriquement indépendantes disposées au sommet d'un pylône, et par exemple à des antennes constituées de panneaux de dipoles. Une disposition très couramment adoptée consiste à disposer 10 un ou plusieurs étages de quatre panneaux de dipoles autour d'un pylône servant de support, les quatre panneaux de chaque étage, pointés dans des directions orthogonales comportant chacun plusieurs dipoles alimentés en parallèle et disposés devant un réflecteur. Une alimentation identique en puissance et en phase pour les qua-15 tre panneaux permet d'obtenir un diagramme de rayonnement horizontal approximativement omnidirectionnel, tandis qu'une alimentation différente en puissance et/ou en phase permet de favoriser l'émission dans certaines directions prédéterminées. Le diagramme de rayonnement horizontal de telles antennes à 20 quatre panneaux est la combinaison des diagrammes de rayonnement horizontal de chaque panneau. Pour que le diagramme de rayonnement horizontal global de l'antenne soit suffisamment voisin du cercle idéal caractérisant un rayonnement parfaitement omnidirectionnel, 1'écartement des panneaux de dipoles ne doit pas être 25 trop grand par rapport à la longueur d'onde de travail. En effet, les diagrammes de rayonnement horizontal de deux panneaux voisins se recouvrent dans un secteur entourant la direction à 45° des directions principales de rayonnement de ces deux panneaux. Dans toute la zone couverte par ce secteur les champs rayonnés respec-30 tivement par les deux panneaux se composent vectorieilement. Si l'écartement des panneaux de l'antenne est trop important, il en résulte que les déphasages entre ces champs créent de graves défauts dans le diagramme horizontal de 1'antenne, se traduisant notamment par des écarts importants entre le cercle théorique et 35 le diagramme réel. Dans les réalisations classiques, la distance entre deux panneaux parallèles est généralement de l'ordre de la longueur d'onde moyenne des ondes à émettre. Il en résulte que le volùme 69 11551 2 2061531 libre à l'intérieur de ces antennes est assez réduit, et ceci d'autant plus que la fréquence des ondes à transmettre est plus élevée (Bandes des ondes décimétriques). L'accès à.L'intérieur de . 1'antenne, nécessaire par exemple pour en assurer la maintenance, 5 est alors très difficile, voire impossible. Les perfectionnements selon l'invention ont pour objet de modifier le diagramme de rayonnement horizontal propre à chaque panneau de dipôles, de manière que, tout en ayant dans les deux directions à 45° de sa direction principale une amplitude moitié 10 de l'amplitude dans ladite direction principale, ce diagramme ait, au voisinage de ces deux directions à 45°, line variation d'amplitude très rapide pour une très faible variation de direction. De tels perfectionnements permettent d'obtenir des antennes d'émission omnidirectionnelles, ou partiellement directives selon 15 le mode d'alimentation de ses panneaux, dans lesquelles le volume libre entre lesdits panneaux est suffisamment grand pour que l'accès à l'intérieur de l'antenne soit relativement aisé, et toujours possible, même pour des antennes devant fonctionner dans le haut de la bande des ondes décimétriques, et dans lesquelles 20 les conditions de rayonnement, et notamment de rayonnement horizontal, sont de très bonne qualité. ' D'autres objets et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui sont : 25 - la figure 1 : une représentation schématique comparant le diagramme de rayonnement horizontal d'une unité de rayonnement, pan« neau de dipôles par exemple, réalisée de manière classique, courbe en tirets, et perfectionnée selon l'invention, courbe en trait plein| 30 .. la figure 2 f la représentation schématique d'un mode de réalisation d'un panneau de dipôles perfectionné selon l'invention ; - la figure 3 : la représentation schématique d'un autre mode de réalisation d'un panneau de dipôles perfectionné selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement le lobe principal du 55 diagramme de rayonnement horizontal d'une unité de rayonnement telle qu'un panneau de dipôles classique d'une part - courbe 1 en tirets - et d'un panneau de dipôles perfectionné selon l'in 69 11551 3 2061531 vention d'autre part - courbe 2 en trait plein . Ces deux courbes permettent de comprendre la base des perfectionnements que la présente invention apporte aux antennes. En effet, dans une antenne comprenant des panneaux de dipôles 5 groupés par quatre autour d'un pylône, il est nécessaire, comme il a été mentionné plus haut, que le lobe principal du diagramme de rayonnement horizontal d'un panneau indépendant ait, dans les deux directions à 45° de sa direction principale, une amplitude moitié de celle dans la direction principale, et que, autour de 10 ces mêmes deux directions, la variation d'amplitude en fonction de la direction soit le plus rapide possible, c'est-à-dire que la forme du lobe principal s'approche de celle d'un secteur circulaire de 90°. Pour approcher ce résultat, différents moyens sont possibles. 15 Celui de l'invention, qui est d'une réalisation pratique particulièrement simple, consiste à associer à chaque panneau de dipôles des éléments rayonnants auxiliaires. Ces éléments auxiliaires, dont le rayonnement dit "rayonnement auxiliaire" se combine avec le rayonnement des dipôles dit "rayonnement principal", sont 20 choisis de manière que leur rayonnement ait, par rapport audit rayonnement principal, une phase et une amplitude telles que le diagramme de rayonnement horizontal résultant de cette combinaison se rapproche de la forme idéale. La courbe 2 de la figure 1 donne un exemple d'un diagramme de rayonnement ainsi amélioré. 25 Pour obtenir ce résultat, les énergies rayonnées par les éléments auxiliaires doivent être en phase avec l'énergie rayonnée par le panneau de dipôles lui-même à l'intérieur du secteur défini par les deux axes en traits mixtes de la figure 1 et en opposition de phase avec l'énergie rayonnée par ce même panneau à l'extérieur 30 de ce secteur. Les figures 2 et 3 donnent des exemples non limitatifs de panneaux de dipôles ainsi complétés par des éléments rayonnants auxiliaires selon l'invention. La figure 2 représente schématiquement un panneau de dipôles 35 comportant de manière habituelle un réflecteur conducteur 3 sur lequel sont fixés, par exemple, quatre ou huit doublets onde entière. Sur la figure, le panneau n'est pas entièrement représenté ; il s'agit d'un panneau de huit doublets dont quatre seulement sont 69 11551 2061531 représentés, 4-^ 42 ; 5±, 52 ; &1> 62 ; 7±, 72 les Quatre autre étant identiques. Ces doublets peuvent être, selon une technique bien connue maintenant, des dipôles épais raccourcis ; la distance entre deux 5 doublets tels que 41, 42 et 5]_» 52 est voisine de la moitié de la longueur d'onde moyenne A m des ondes à émettre tandis que la distance entre chaque doublet et le réflecteur 3 est voisine du quart de cette longueur d'onde. Ils sont alimentés en phase par des lignes bifilaires, en partie plates 8, en partie cylindri-1 10 ques 9, par exemple, selon une technique également connue. - Dans l'exemple de réalisation de l'invention illustré par cette figure, les éléments rayonnants auxiliaires sont de deux types. Le premier type d'éléments rayonnants auxiliaires consiste 15 en de petits radiateurs auxiliaires tels que 10 et 11 constitués de deux pièces métalliques en équerre fixées chacune sur un conducteur de la ligne d'alimentation ê des dipôles. Ces éléments sont situés symétriquement entre les deux doublets de chaque paire de doublets ; ils sont donc au nombre de quatre pour un panneau 20 à huit doublets. La hauteur h de la partie de ces éléments perpendiculaire au plan du réflecteur est approximativement égale au quart de la longueur d'onde A m . elle est telle que ces éléments ne soient pas en contact avec le réflecteur. La longueur 1 entre ces deux parties est approximativement égale au quart de la lon-25 gueur d'onde Àgà . Ces éléments auxiliaires, tels que 10 et 11, alimentés en énergie par la ligne 8 à laquelle ils sont fixés, constituent des radiateurs actifs auxiliaires dont le rayonnement améliore le diagramme de rayonnement horizontal du panneau de dipôles comme il 30 a été dit. Le deuxième type d'éléments rayonnants est constitué par les supports 43, 44| 53, 54, 63, 64, 73, 74 de chaque demi-doublet 41, 42, 51, 52, 61, 62, 71, 72. En effet, ces supports qui sont des éléments conducteurs reliant mécaniquement et connectant élec-35 triquement chaque demi-doublet au réflecteur 3, sont légèrement décalés par rapport au milieu des demi-doublets. Ils sont par exemple fixés de manière que la distance entre les supports, tels que 43 et 44, des deux demi-doublet 4l, 42 d'un même doublet est 69 11551 5 2061531 de l'ordre du quart de la longueur d'onde À m . Cette disposition transforme les supports en éléments rayonnants auxiliaires. En effet, leur connexion aux dipoles étant faite en des points où la courbe de répartition des tensions ne passe pas par un noeud, un courant les parcourt et ils émettent 5 un rayonnement auxiliaire. Chacun des deux types d'éléments rayonnants auxiliaires qui vient d'être décrit peut être utilisé seul pour améliorer le diagramme de rayonnement horizontal d'un panneau de dipoles. La combinaison sur un même panneau de ces deux types d'éléments auxiliai-10 res pour réaliser un panneau de dipoles tel que celui de la figure 2, augmente encore la qualité du diagramme de rayonnement dont le lobe principal prend l'allure de la courbe 2 de la figure 1. La figure 3 représente schématiquement un autre mode de réa-15 lisation d'éléments rayonnants auxiliaires associés à un panneau de dipôles. Les éléments de cette figure identiques à ceux de la figure 2 sont repérés par les mêmes numéros ; la ligne d'alimentation des dipôles, d'un type classique, n'est pas représentée. Dans cet exemple, les radiateurs auxiliaires actifs de la 20 figure 2 sont remplacés par des éléments rayonnants auxiliaires passifs tels que 12, 13, 14, 15. Ces éléments auxiliaires sont de petites pièces métalliques allongées, fixées au réflecteur 3 du panneau auquel elles sont perpendiculaires„ Deux éléments auxiliaires tels que 12 et 13 sont associés à chaque paire de doublets 25 tels que 4l, 42 ; 51, 52. Ils sont fixés symétriquement entre les deux doublets de chacune de ces paires, et sont distants l'un de l'autre d'une longueur voisine de la longueur totale d'un doublet„ Leur hauteur h est approximativement égale au quart de la longueur d'onde moyenne Àra . 30 Ces éléments sont constitués, dans l'exemple de la figure 3* de pièces minces et parallèlépipédiques ; ils pourraient tout aussi bien être constitués de pièces cylindriques. Les paramètres importants de ces éléments, dont dépend le rayonnement auxiliaire qu'ils apportent, sont leur hauteur et la distance entre deux élé-35 ments associés à une même paire de doublets. Ces éléments auxiliaires ne sont pas alimentés directement par l'énergie à rayonner. Ce sont des élégants auxiliaires passifs ; 69 11551 6 2061531 ils rayonnent l'énergie induite par le champ créé par les dipôles. Dans l'exemple de la figure 3, ces éléments auxiliaires passifs 12, 13, 1.4, 15 sont encore combinés aux éléments rayonnant auxiliaires que constituent les supports des dipôles décalés 5 par rapport au milieu de chaque demi-doublet. Cette combinaison de deux types d'éléments rayonnant auxiliaires, pas plus que celle de la figure 2, n'est nécessaire, chaque type d'éléments auxiliaires pouvant être utilisé seul. Mais elle améliore le diagramme de rayonnement horizontal du panneau qui a alors l'al-10 lure de la courbe 2 de la figure 1. Les perfectionnements aux panneaux de dipôles qui viennent d'être décrits améliorent la forme des diagrammes de rayonnement horizontal de ces panneaux comme le montre la figure 1 et permettent ainsi de réaliser des antennes d'émission omnidirectionnel-15 les si tous les panneaux sont alimentés avec des puissances de même amplitude et même phase, ou partiellement directives dans le cas contraire, ayant de très bons diagrammes de rayonnement horizontal et présentant en outre un accès intérieur relativement facile et pratiquement toujours possible. 20 De telles antennes sont constituées d'un pylône au sommet duquel sont fixés un ou plusieurs étages de quatre panneaux de dipôles perfectionnés selon l'invention et montés en carré. La qualité du rayonnement horizontal de ces panneaux perfectionnés permet d'écarter les panneaux opposés à une distance allant 25 jusqu'à environ deux fois la longueur d'onde moyenne Am . Un tel écartement rend le volume libre à l'intérieur de l'antenne suffisaient grand pour permettre aussi bien l'installation de certains matériels tels que notamment les câbles d'alimentation, que le passage d'un homme devant assurer la maintenance de l'antenne* 30 II est à noter que le diagramme de rayonnement horizontal d'une antenne constituée de panneaux de dipôles ainsi perfectionnés est encore amélioré si la partie du pylône autour de laquelle sont fixés ces panneaux est une structure conductrice, métallique par exemple,, 35 II est par exemple avantageux de disposer les panneaux de dipôles autour d'un pylonet métallique ajouté au sommet du pylône servant de support et plus large que lui. Cette disposition, qui est possible grâce à l'écartement important des panneaux de dipô- 69 11551 ? 2061531 les de l'invention permet non seulement d'améliorer le diagramme de rayonnement horizontal de l'antenne, mais encore de construire des antennes dont la partie active est plus haute et qui ont par conséquent un plus grand gain. 5 La description qui précède traite d'antennes dont les unités de rayonnement indépendantes sont des panneaux de dipôles ; il est connu de remplacer les panneaux de dipôles par des panneaux à fente. Les perfectionnements de l'invention, qui consistent à ajouter des éléments rayonnant auxiliaires, peuvent s'appliquer 10 à de tels panneaux pour en améliorer le rayonnement horizontal. Il est bien entendu que les antennes perfectionnées selon l'invention, et qui ont été principalement décrites comme des antennes d'émission, peuvent tout aussi bien servir à la réception d'ondes très courtes. 15 Cette description de l'invention a été donnée à titre d'exem ple non limitatif ; d'autres variantes peuvent être réalisées et font partie de l'invention. 69 11551 8 2061531 REVENDICATIONS 1. Antenne à large bande de fréquence notamment pour l'émission d'ondes très courtes comportant n unités de rayonnement directives et électriquement indépendantes combinées au sommet d'un pylône, caractérisée en ce que, à chacune de ces unités de rayonnement 5 sont combinés des éléments rayonnant auxiliaires, soit alimentés par \me fraction de l'énergie à émettre, soit couplés par rayonnement aux éléments rayonnant dits "principaux" de l'unité, et rayonnant une énergie avec une phase, une amplitude et dans une direction telles que le diagramme de rayonnement horizontal de 10 l'unité ainsi complétée est voisin d'un secteur circulaire dont l'angle est égal à 2 1t/n 2. Antenne d'émission selon la revendication 1, dont les unités de rayonnement sont des panneaux de dipôles disposés en carré autour d'un pylône, chacun des quatre panneaux comportant, fixés 15 à un réflecteur (3), une ou plusieurs paires de doublets onde entière (4l, 42...) alimentés en parallèle de manière connue au moyen d'une ligne (8, 9) à deux conducteurs, caractérisée en ce que, dans un mode de réalisation, à chaque paire (4l, 42 . 51, 52) de doublets onde entière est associé un élément rayonnant auxi-20 liaire actif constitué de deux pièces métalliques en équerre (10) fixées chacune sur un conducteur de la ligne (8) d'alimentation des dipôles, au point de cette ligne se trouvant à égale distance des deux doublets de ladite paire, ces deux pièces en équerre étant telles que, pour chacune d'elles, 25 - le bras de 1'équerre fixé à la ligne a une longueur approximativement égale au huitième de la longueur d'onde moyenne Am des ondes à émettre, est parallèle au réflecteur (3) et est situé à une distance de celui-ci voisine du quart de ladite longueur d'onde moyenne, 30 - l'autre bras de l'équerre est dirigé vers le réflecteur (3) auquel il est perpendiculaire et a une hauteur un peu inférieure à la distance du premier-bras au réflecteur de manière à ne pas être en contact avec ce dernier (Pig. 2). 3. Antenne d'émission selon la revendication 1 à panneaux de 35 dipôles, caractérisée en ce que, dans un autre mode de réalisation, à chaque paire (4l, 42 • 51, 52) de doublets onde entière d'un 69 11551 9 2061531 panneau sont associés deux éléments rayonnant passifs (12, 13) couplés aux doublets et constitués chacun d'une pièce métallique allongée fixée au réflecteur (3) perpendiculairement à sa surface, à égale distance des deux doublets de ladite paire, chacune de 5 ces pièces étant située au voisinage d'une extrémité de ces deux doublets et ayant une hauteur approximativement égale au quart de la longueur d'onde moyenne Àm (Fig. 3). 4. Antenne d'émission selon la revendication 1 à panneaux de dipoles, caractérisée en ce que, dans un autre mode de réalisation, 10 les éléments rayonnant auxiliaires sont constitués par des pièces métalliques allongées (43, 44 • 53, 54) servant chacune de support à un des demi-doublets onde entière (4l, 42 - 51, 52), chaque pièce étant fixée d'une part au réflecteur (3), d'autre part à un demi-doublet, en un point autre que son milieu de manière à être 15 parcourue par un courant, et par exemple en un point tel que les deux pièces (43, 44) supportant les deux demi-doublets (4l, 42) d'un même doublet sont symétriquement disposées par rapport à celui-ci et à une distance l'une de l'autre approximativement égale au quart de la longueur d'onde moyenne (Fig. 2 et 3). 20 5. Antenne d'émission selon la revendication 1 à panneaux de dipôles caractérisée en ce que, sur chacun des panneaux de dipôles sont combinés des éléments rayonnant auxiliaires tels que ceux décrits dans la revendicat ion 2 et ceux décrits dans la revendication 4 (Fig. 2). 25 6. Antenne d'émission selon la revendication 1 à panneaux de dipôles caractérisée en ce que, sur chacun des panneaux de dipoles sont combinés des éléments rayonnant auxiliaires tels que ceux décrits dans la revendication 3 et ceux décrits dans la revendication 4 (Fig. 3). 30 7. Antenne d'émission selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le sommet du pylône supportant l'antenne est élargi par une structure métallique dite "pylonet" autour de laquelle sont montées les unités de rayonnement. 8. Antenne d'émission selon l'une des revendications précéder*-35 tes caractérisée en ce que toutes les unités de rayonnement sont alimentées par des puissances constamment égales et en phase, de telle manière que le diagramme de rayonnement horizontal de l'antenne est omnidirectionnel. 69 11551 10 2061531 9. Antenne d'émission selon l'une des revendications 1 à 7 carac térisée en ce que les unités de rayonnement sont alimentées par des puissances d'amplitude efc/ou de phase différentes et variables de telle manière que l'amplitude des lobes principaux de rayonnement horizontal de chaque unité de rayonnement et la direction de leur axe sont réglables.