Brevet FR2085553A1 — publié le 19711224

Pour une transmission d'énergie éRectromagnétique dans ltespa- ce on utilise des antennes dip6les électriques ou magnétiques qui émettent des ondes électromagnétiques sphériquesç Il est quelquefois souhaitable démettre lXénergie électromagnétique de préférence dans une direction bien déterminée. On utilise à cet effet des directeurs et des réflecteurs qui provoquent une concentration unilatérale en forme de lobe du rayonnement énergétique, l'angle d'ouverture étant bien déterminé.La directivité ainsi obtenue résulte de la superposition de plusieurs ondes électromagnétiques se propageant de façon sphérique, dont ltintensité est amplifiée par interférence dans le sens de propagation désirée et atténuée dans les directions de propagation que l'on considère comme indé sirablesO Les lois de Maxwell sur la propagation des ondes électroma- gnétiques ne permettent pas uniquement une propagation sphérique mais également d'autres formes de propagation, qui dépendent notamment des conditions marginales données.Il est possible d'engendrer des ondes cyclindriques dans des tubes conducteurs co- axiaux ou dans des conducteurs parallèles2 les conditions margi- nales étant données par les dimensions géométriques des tubes ou conducteurs. Par le fait de la brusque variation de 11 impédance caracté ristique lorsqu'on passe dgun agencement de conducteurs à 11 espace libre, les conditions nécessaires à la propagation d'ondes cylindriques ne sont plus remplies2 de sorte que les ondes sphériques émises depuis les extrémités des agencements de conducteurs ne pré- sentent qu'une faible intensité Pour les ondes qui sont ainsi associées à un conducteurS l'agencement de conducteurs déterminant la condition marginale est le siège de charges électriques augqiEsaboutissent les lignes de force électriques des ondes électromagnétiques2 c'est-à-dire que des charges sont déplacées à la surface des conducteurs lors de la propagation de ces ondes I1 appartient à la présente invention d'engendrer des ondes électromagnétiques qui se propagent de façon coaxiale dans l'espace libre. Pour obtenir le résultat recherchés il est prevu, conformément à l'invention, de disposer des éléments de résonance qui force ment chaeun une antenne et qui, pris individuellement n'émettent pratiquement aucun rayonnement, sur ltenveloppe dgun cylindre fictif dont le rayon r0 est égal ou supérieur au rayon limite obtenu à partir de la fonction de Bessel par valeur réelle de p 2 la disposition étant choisie de façon que les lignes de force magnétiques ou électriques soient concentriques à l'axe du cylindre. la présente invention sera maintenant décrite plus en détail en se référant aux dessus annexés la fig. 1 représente de façon schématique une composante du champ électromagnétique d'une forme d'onde cylindrique0 le champ représenté est, par exemples le champ magnétique. les lignes de force électriques sont des anneaux circulaires perpendiculaires aux lignes de force magnétiques. Par analogie, on prend comme hypothèse pour le second type d'onde que le champ représenté est le champ électrique. Dans ce cas2 les lignes de force magnétiques sont circulaires et perpendiculaires aux lignes de force électriques. Comme il est représenté par la partie en tirets des lignes de forces cellesoci se ferment dans l'espace environnant. L'intensité de champ diminue dans l'espace lorsque la coordonnée radiale augmente. En outreS il est possible savoir différents modes de la forme dgonde où apparaissent des plages d'ondes coaxiales supplié mentaires. Sur la fig 2, on a ainsi représenté une plage d'ondes coaxiales supplémentaire0 l'apparition de ces ondes cylindriques est liée à l'excitation électromagnétique sur la surface d'un cylindre fictif de rayon r à condition que ft saint réel Dans I2 équation ci-dessus, les symboles utilisés ont la signification suivante A = constante, fi = constante dépendant des conditions marginales C = vitesse de la lumière ; I1 = fonction de Bessel du premier ordre ; #= longueur d'onde, r = coordonnée radiale ; z = coordonnée longitudinale, w = pulsation du générateur d'excitation Pour déterminer 8, on dispose encore de l'équation Dans cette équation9 Io désigne la fonction de Bessel d'ordre zéro.Cette fonction a un nombre infini de points d'annulation qui dépendent de l'argument. Le premier point deannulation est obtenu pour un argument de A partir de cette valeurs on calcule Pour d'autres points d'annulation, on obtient des valeurs p associées à des modes plus élevés Le rayon de ltagencement d1excita- tion doit entre choisi de façon que ss soit réels Si le rayon est choisi trop petitS ss peut devenir imaginaire et 1'intégrale marginale de la valeur instantanée de l'intensité de champ élee- trique devient alors égale à Dans ce cas2 les ondes ne se propagent pas en direction axiale. -Le même raisonnement est valable si l'on part du champ électrique 9 il suffit alors de remplacer 17 intégrale marginale de l'intensité du champ électrique par celle de 17intensité de champ magnétique. La fig. 3 illustre la relation qui lie le rayon limite r à la fréquence fO Pour un rayon deexcitation ro de, par exemple2 2 m, la fréquence du générateur d'excitation est environ égale à 1.08 Hz. Les fig. 4a à 4f représentent plusieurs modes de réalisation d'éléments de résonance qui forment des circuits résonants et peuvent être utilisés pour la réalisation d'une antenne. Les éléments de résonance présentent par exemple la forme d'une bobine de fil (fig. 4a) ou d'un noyau de bobine (figo b)2 dtun étrier métallique plié en U (fig. 4c et 4f)9 d'un segment de profilé en I (fig. 4d)- ou d'un tube coudé en U (figo 4e)0 Les éléments de ré sonance sont dimensionnés de façon à supprimer pratiquement l'excita- tion ondes sphériques telles qu'elles sont émises par des dipôles. L'émission d'un rayonnement sphérique à la manière d'un dipôle diminuerait le caractère coaxial du rayonnement global émise Les antennes de réceptlon et d'émission ont la méme structure. les éléments de résonance peuvent agir en tant qu'éléments concentrés ou en tant que conducteurs de Lecher ouverts pour autant que les dimensions soient choisies en conséquence. Alors que dans le cas du circuit oscillant concentré la fréquence de résonance dépend des dimensions9 on sait que seule la longueur des branches de 1'U est déterminante dans le cas dgun conducteur de Lecher.La largeur d de l'étrier est très petite par rapport à la longueur d'onde )/4 afin que la hauteur efficace de l'antenne pour des ondes sphériques soit faible. Comme il est indiqué en tirets sur les fig. 4e et 4f2 les dimensions des éléments de résonance peuvent titre modifiées en service. Cette possibilité de modifier les dimensions des éléments de résonance peut également être prévue sur les types d'éléments représentés sur les fig0 4a, 4b et 4d. les éléments de résonance sont disposés en anneau de manière qu'ils excitent de façon capacitive la composante E du champ dans le cas E /Hz et qu'ils excitent de façon inductive la composante H f'du champ dans le cas H Un agencement possible des éléments de résonance conforme à la fig. 4f est représenté de façon sehématique sur la fig. 5 pour le cas E #/Hz et sur la fig. 6 pour le cas H # /Ez fJes fig0 7 et 8 représentent l'agencement des éléments de résonance réalisés sous la forme de conducteurs de Becter conformes à la fig. 4f o Dans ces cas2 la coordonnée z indique le sens de propagation.Dans une position intermédiaire oblique des conducteurs de Becter élémentaires2 les zones peuvent etre excitées simultanément suivant le cas 1 et 2 (fig. 9). les élén ments de résonance disposés sur un cercle sont excités en phase. On peut disposer à la suite de plusieurs antennes annulaires, les antennes non alimentées devant entre séparées de l'antenne alimentée dune distance qui est un multiple de i /4o Au cas où toutes les antennes disposées les unes à la suite des autres seraient alimentées2 on peut choisir leur écartement de façon quelconque à condition de déphaser leur alimentation conformément à leur distance. Si l'on réalise l'antenne à partir d'éléments de résonance se présentant sous la forme de conducteurs de lecher, on obtient pour un allongement des conducteurs de Lecher au delà de zo = # /4, de façon automatique le déphasage correct de la tension ou du courant pour la portion allongée. BXénergie peut se propager dans les deux sens d'une dirso tion axiale. Pour une utilisation technique, l'intérêt porte principalement sur une propagation de lténergie dans un seul sens. Il ressort des agencements d'antenne représentés sar les fig. 5 à 8 que le courant de déplacement s'établit principalement entre les branches des éléments de résonnance en U et que ce courant est "refoulé" dans les branches perpendiculairement à la direction du flux, c'est-à-dire en direction des valeurs positives de ltaxe z. les antennes représentées sur les fig. 5 à 8 rayonnent prineipa lement dans un seul sens d'une direction. Pour interdire la propagation d'un rayonnement dans un sens, on peut également désaccorder l'antenne de façon que le facteur ss précité devient imaginaireS ce qui interdit une propagation des ondes dans l'un des deux sens d'une direetione le désaccord peut être obtenu sont en introduisant dans le rayonnement un cylindre réalisé dans une matière diélectrique avec g r r > 1 1 ou en une matière perméable avec ,;ii > 1, soit en utilisant un cylindre conducteur dont le rayon est inférieur au rayon de l'antenne. TJne réflexion des ondes cylindriques peut également etre obtenue par des parois métalliques ayant une bonne conductibilité. Un autre agencement d'antenne est représenté sur la fig. 10. Dans ce cas, les éléments de résonance sont des conducteurs creux ou guides d'ondes disposés sur un cylindre de rayon r0 les guides d'ondes sont alimentés de façon connue. Si ces guides ondes sont fermés unilatéralement, les ondes cylindriques ne sont excitées que sur un c8té de l'antennes Dans le cas 1, il faut exciter dans le guide d'ondes un E # et dans le cas 2 un Ho. l'agencement convient en particulier pour l'excitation de modes plus élevés. les antennes décrites ci-dessus peuvent titre excitées au moyen d'un générateur à haute fréquence. l'énergie électromagnétique évacuée radialement provent uniquement du générateur. Au lieu de réception, on peut à l'aide dtune antenne de réception recueillir l'énergie à haute fréquence et la convertir par une opération de redressement en une forme d'énergie adaptée à l'utilisa- teur. Ce genre de transmission d'énergie est particulièrement adapté à la technique des télécommunications et à des transmissions d'énergie où le facteur rendement me joue qu'un @dle becondaire. Lorsque des porteurs de charge se trouvent dans la plage r Comme porteurs de charge on peut utiliser par exemple des lectrons libres, des plasmas semi-condacteurs et d'autres plasmas electriquement conducteurs. A partir d'une cathode K Lorsqu'on désire réaliser un récepteur d'énergie, l'agence- ment est utilisé de façon inverse. L'antenne qui sert alors de cathode émet des électrons que l'énergie HF reçue accélère radialement vers l'intérieur en direction d'une électrode. L'utilisateur est alors branché entre la cathode et l'électrode centrale. Lorsqu'on choisit cet agencement il faut travailler dans le -;ide ou encore placer l'antenne dans une enveloppe où règne le vide. Il est cependant plus simple de placer à l'intérieur de l'antenne un disque semi-conducteur S (fig. 12). I1 faut cependant que les porteurs de charge puissent atteindre dans le semiconducteur de grandes vitesses, après l'application d1une tension, ce qui est par exemple le cas pour l'arséniure de gallium. En outre, le semi-conducteur ne doit contenir qu'une sorte de porteurs de charges mobiles qui sont déplacés radialement vers l'extérieur par l'application d'une différence de potentiel entre le centre et le oord du disque semi-conducteur S.En excitant l'antenne au moyen d'un générateur à haute fréquence G, les porteurs de charge sont sollicités radialement vers l'intérieur s par ailleurs, en surmontant la force sollicitant les porteurs de charge par une différence de potentiel appliquée au disque S, on pompe de l'énergie dans l'antenes. L'antenne de récoptlon cemporte également un disque semiconducteur. L'énergie HF reque déplase les porteurs de charge radialement vers l'intérieur et entretienv ainsi une différence de potentiel entre le bord et le centre du disque qui permet de faire passer un courant continu dans un utilisateur ohmique. En réalisant des prises à différents endroits du disque, on peut prélever des tensions continues quelconques.Au lieu du disque on peut égale ment utiliser des barreaux semi-conducteurs t les intervalles entre deux barreaux sont de préférence remplis dpune matière ayant une bonne conductibilité, par exemple un métal. Torsquson utilise un plasma conducteur tel que dans le générateur MRD, il est possible de convertir l'énergie de rayon nement directement en énergie électrique. Dans ce iaplasma" existent des porteurs de charge positifs et négatifs qui sont sollicités radialement vers 11 intérieur de l'antenne par suite de l'énergie du générateur d'excitation. Grâce à l'énergie de déplacement, les porteurs de charge sont déplacés à l'encontre de cette force2 ce qui équivaut à envoyer de l'énergie dans l'antenne. L'inverse est également possible pour le récepteur de cette énergie. Le plasma comprimé dans l'antenne de réception par l'énergie HF peut entraSner une turbinez Des porteurs de charge accélérés par un plasma à haute température en expansion ou par fission ou fusion nucléaires peuvent, grâce à leur énergie de mouvement9 alimenter laantenne directe- ment en énergieS et cela de la même façon I1 va de soi que les différentes méthodes décrites pour injecter ou prélever de l'énergie peuvent être combinées ensemble. - REVENDICADIONS - le Agencement d'antenne pour 17émission dirigée et la réception d'ondes électromagnétiques 7 caractérisé par le fait que les éléments de résonance qui forment respectivement une antenne et qui, pris individuellement n'émettent pratiquement pas de rayon nement, sont répartis sur le pourtour dgun cylindre fictif dont le rayon r0 es-t égal ou supérieur au rayon limite déterminé à partir de la fonction de Bessel avec ss réels de façon que les lignes de forces magnétiques ou élec- triques soient concentriques à l'axe du cylindre0 2.- Agencement suivant la revendication 19 caractérisé par le fait que les éléments de résonance de plusieurs antennes sont disposés coaxialement les uns derrière les autres 3e Agencement suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les éléments de résonance sont réalisés à partir d'un matériau normalement conducteur ou supraconducteur, qu'ils présentent la forme d'un corps de bobines d'un étrier en Us d'un tube en U (conducteur de Becter)9 d'un segment en I ou dsun tube et que leurs dimensions peuvent être modifiées dans une ou plusieurs directions pour les accorder sur la résonance désirée. 4.- Agencement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un ou plusieurs des élé- ments de résonance sont reliés à un générateur HF par couplage inductifs capacitif ou galvanique. 5.- Agencement suivant la revendication 49 caractérisé par le fait que plusieurs éléments de résonance sont reliés par couplage à un ou plusieurs générateurs HP et excités en phases 6.- Agencement suivant la revendication 59 caractérisé par le fait qu'on injecte des porteurs de charge supplémentaires dans l'espace devant ou à l'intérieur de l'antenne excitée par un ou plusieurs générateurs HF ou qu'on prélève des porteurs de charge dans cet espace. 7.- Agencement suivant la revendication 69 caractérisé par le fait qu'on applique et/ou prélève une tension sur les électrodes disposées dans le vide réalisé devant ou à l'intérieur de l'antenne. 8.- Agencement suivant la revendication 69 caractérisé par le fait qu'on prévoit dans Qb compartiment d'antenne cylindrique ou dans son prolongement axial un agencement semiconducteur sur les électrodes duquel on applique et/ou prélève une tension continue 9. Agencement suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'on réalise l'espace devant ou à l'intérieur de ltantenne sous la forme dgune chambre d'écoulement avec une entrée axiale et une sortie radiale. 10. Agencement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on dispose dans la marche des rayons un cylindre réalisé à partir d'un matériau diélectrique, perméable ou conducteur afin d'obtenir une emission unilatérale.