Brevet FR2123051A1 — publié le 19720908

La présente invention concerne des perfectionnements aux antes nes directives pour ondes métriques, plus particulièrement aux antennes légères utilisées dans les relais de télévision pour la traie mission simultanée des programmes visuel et sonore dans une bande de fréquences relativement large. I1 est en effet connu que, pour réaliser une bonne transmission simultanée de l'image et du son, il est nécessaire d'espacer assez fortement les bandes partielles de fréquences respectivement utilisées pour l'un et l'autre de ces derniers. L'emploi d'une seule antenne implique donc que celle-ci soit capable de fonctionner dans une assez large bande de fréquences, sans que ses propriétés directives ni son rendement soient sensiblement modifiés, puisque ces qualités doivent être les mêmes pour les deux bandes partielles en question. Dans la suite de ltexposé, on supposera, à titre exemple et pour simplifier, que les fréquences centrales des bandes partielles sont respectivement 65,55 MHz pour l'image et 54,40 hEz pour le son. Ces fréquences correspondent au canal No. 4 de la bande de télévision dite "bande I". Le problème qui se pose est donc de construire une antenne ayant dans toute la bande de fréquences allant de 54 MEz à 68 MHz des propriétés directives suffisamment marquées, avec un diagramme de directivité de forme simple et ne comportant pas de lobes latéraux secondaires, en même temps qu'une impédance d'attaque suffisamment constante pour permettre son alimentation par une seule ligne de transmission (feeder) avec un taux d'ondes stationnaires suffisamr ment faible. On rappellera seulement ici qu'en appelant Z l'impédance d'at taque de l'antenne à une fréquence donnée et Z l'impédance carac o téristique de la ligne d'alimentation, le taux d'ondes stationnaires est donné par R = Z/Z o et que, pour une bonne adaptation, ce taux doit rester voisin de 1. Parmi les solutions de'jà proposées à ce problème, l'une des plus répandues est celle connue sous le nom d'antenne "Yagi". On sait qu'on désigne sous ce nom une antenne formée d'un dipôle principal alimenté en son centre, de longueur voisine de la moitié de la longueur d'onde d'utilisation, au voisinage duquel et parallèlement auquel sont disposés, d'une part un réflecteur formé d'un dipôle non alimenté de longueur un peu plus grande que celle du précé dent, et d'autre part, dans la direction du rayonnement maximal désiré, d'une série de dipôles non alimentés dits "directeurs", parallèles au précédent, et un peu plus courts que ce dernier, et de longueurs décroissantes à mesure qu'on s'éloigne du dipôle alimenté. Les espacements ehtre dipôles consécutifs sont voisins du quart de. la longueur d'onde et la directivité obtenue est d'autant plus marquée que le nombre des éléments directeurs est plus grand. Une telle antenne ne fonctionne cependant bien que dans une bande de fréquences assez étroite. Lorsque le son et limage d'une même transmission de télévision sont transmis sur des fréquences porteuses différentes par exemple de 2 X , les caractéristiques directives de l'antenne sont très différentes pour l'une et l'autre de ces fréquences. La présente invention a pour objet une antenne présentant par rapport à celles de l'art connu des qualités directives améliorées dans une largeur augmentée de bande de fréquences, en même temps qu'une plus grande-facilité d'adaptation à une ligne d'alimentation ou, autrement dit, un taux d'ondes stationnaires plus réduit le long de cette ligne lorsque l'antenne de l'invention lui est raccordée. Conformément à la présente invention, il est prévu une antenne pour ondes métriques et décimétriques caractérisée en ce qu'elle est formée d'au moins un ensemble de quatre conducteurs linéaire.s de longueurs égales disposés selon les côtés d'un quadrilatère et ayant chacun une longueur voisine du quart de la longueur d'onde moyenne d'utilisation, deux adjacents desdits conducteurs étantimmédiate- ment reliés entre eux et à l'un et l'autre des deux autres conducteurs voisins, tandis que ces deux autres conducteurs sont isolés à leurs extrémités voisines et reliés à leurs autres extrémités respectivement à l'un et l'autre desdits conducteurs adjacents, les deux conducteurs d'une ligne d'alimentation étant respectivement connectés auxdites extrémités voisines isolées, et en ce qu'est disposé dans un plan parallèle au plan dudit quadrilatère et situé à une distance de celui-ci voisine du quart de ladite longueur d'onde, un réflecteur formé d'un ensemble de conducteurs linéaires sensiblement parallèles entre eux et à une diagonale dudit quadrilatère et de longueur voisine de la moitié de ladite longueur d'onde, l'espacement entre deux de ces derniers conducteurs étant une faible fraction de ladite longueur d'onde. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le quadri latère est un carré. Egalement selon un mode préféré de réalisation de l'invention, une antenne comprend deux ensembles en forme de carré disposés dans un même plan et dans lesquels l'une et l'autre des extrémités isolées des conducteurs appartenant à l'un desdits ensembles sont immédiatement reliées respectivement aux extrémités isolées des conducteurs de l'autre ensemble. Toujours selon un mode préféré de réalisation de l'ihvention, l'espacement entre conducteurs parallèles voisins du réflecteur est choisi voisin du dixième de la longueur d'onde, avec une distance entre conducteurs extrêmes voisine de cette longueur d'onde. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée donnée ci-après et à l'aide des dessins annexés dans lesquels - les Figs. 1 et 2 sont respectivement des vues de face et de profil d'un type d'antenne selon l'invention - les Figs. 3 et 4 sont des vues de face et de profil d'un autre type d'antenne selon l'invention - la Fig. 5 montre les courbes comparatives de taux d'ondes stationnaires obtenues, en fonction de la fréquence, tant avec une antenne classique qu'avec des antennes selon l'invention - les Figs. 6 à 8 montrent des diagrammes directifs obtenus dans un plan horizontal, pour l'une et l'autre des deux polarisations possibles por deux types d'antennes selon l'invention ; et - les Figs. 9 à 11 montrent des diagrammes analogues pour des antennes de l'art antérieur. Se référant d'abord à la Fig. 1, on voit sur celle-ci une antenne du type le plus simple conforme à l'invention. Elle comprend essentiellement quatre conducteurs 1, 2, 3, 4 disposés en carré (mais ils pourraient aussi astre disposés selon les catés d'un losange s'écartant peu d'un carré). Les conducteurs 1 à 4 sont reliés en série dans l'ordre de leurs numéros de référence, mais par contre, les conducteurs 1 et 4 ne sont pas directement reliés entre eux aux points 5 et 6. Les extrémités isolées 5 et 6 constitueht deux bornes d'utilisation reliées à une ligne d'alimentation (non montrée sur le dessin) elle même reliée à un émetteur ou à un récepteur. Les conducteurs 41 et 42 jouent uniquement le rôle de supports mécaniques. Derrière l'ensemble 1, 2, 3, 4 est placé, à une distance voisine du quart d'onde, un réflecteur plan formé de 12 conducteurs ho rizontaux d'égale longueur (voisine d'une demi longueur d'onde) 9 à 20, régulièrement espacés entre eux et parallèles à la diagonale horizontale du carré t, 2, 3, 4. Cette disposition est celle qui convient pour une antenne destinée à rayonner une onde polarisée horizontalement. Pour obtenir une antenne rayonnant une onde à polarisation verticale, il suffirait de faire tourner de 90 degrès, autour d'un axe perpendiculaire au plan de la figure, l'ensemble des éléments de la Fig. 4. La Fig. 2 montre le même ensemble d'éléments que la Fig. 1, mais vu de profil. Sur la Fig. 2, on voit encore, de profil, les deux conducteurs 31, 32 de la ligne d'alimentation et un autre conducteur 33 perpendiculaire au plan du carré et servant de support mécanique à celui-ci. En effet, le point commun aux conducteurs 2 et 3 étant à potentiel constant si la ligne d'alimentation connectée en 5, 6 est symétrique par rapport au sol, il n'y a pas d'inconvénient à ce que ce point commun ne soit pas isolé par rapport au sol. Des dimensionnements favorables d'une antenne du type de la Fig. 1 sont, pour la bande 54,40-65,55 MHz, ceux montrés sur la figure en fonction de la longueur d'onde moyenne de cette bande, qui est de 5 mètres environ. Les conducteurs 1, 2, 3, 4 pnçrement dits de l'antenne peuvent être constitués par des tubes de cuivre ou de laiton de 60 mm de diamètre extérieur, tandis que ceux du réflecteur peuvent être d'un diamètre extérieur plus réduit, par exemple 22 mm. L'alimentation peut se faire au moyen d'une ligne coaxiale de type classique, raccordée aux bornes 5, 6 par l'intermédiaire d'un circuit symétriseur de genre connu dit "Split Balun". Les performances d'une antenne du type de la Fig. 1, pour la bande de fréquences susmentionnée, sont représentées sur les Figs. 6 et 7. Ces fLEures montrent les diagrammes de directivité obtenus en polarisation horizontale, tant dans un plan horizontal (Fig.6) que dans un plan vertical (Fig. 7), les traits pleins correspondant à la fréquence 65,55 MHz et les traits interrompus à celle de 54,40 MHz. Les gains maximaux (c'est-à-dire dans la direction 0 degré) relativement à un dipôle simple rayonnant la mQme puissance sont respectivement de 6,67 dB et 7,15 dB pour les deux fréquences en question. Se référant maintenant à la Fig. 3, on voit sur celle-ci une antenne analogue à celle des Fige. 1 et 2, mais composée de deux ensembles carrés de conducteurs 1, 2, 3, 4 et 21, 22, 23, 24 disposés dans un même plan et mis en parallèle par les bornes d'alimentation 5 et 6. La disposition du réflecteur formé des conducteurs horizontaux 9 à 20 est tout-à-fait la même que dans le cas des Figs. 1 et 2. De même,les conducteurs 41 et 42 jouent seulement le rôle de supports mécaniques. La Fig. 4 montre, de profil, l'antenne de la Fig. 3. Sur cette figure, les repères 31, 32, 33 ont la même signification que dans le cas de la Fig. 2, mais il y a en plus, par raison de symétrie, un conducteur 34 perpendiculaire au plan commun des deux carrés et servant de support mécanique. Les performances d'une antenne du type des Figs. 3-et 4 sont montrées sur le diagramme de directivité des Figs. 6 et 8, sur laquelle les traits pleins et interrompus correspondent toujours respectivement aux fréquences 65,55 et 54,40 MHz. Les gains maximaux correspondants, par rapport à un dipôle simple rayonnant la même puissance sont encore de 7, 87 et 7,47 dB. Le diagramme de la Fig. 6, identique à celui qui est valable pour l'antenne des Figs. 1 et 2, est pris dans un plan horizontal pour une antenne rayonnant une onde polarisée horizontalement ; celui de la Fig. 8 dans un vertical plan/pour la même polarisation. La Fig. 5 montre les valeurs des taux d'ondes stationnaires relatifs d'une part aux antennes des Figs. 1 et 3 (courbes A et B), d'autre part pour une antenne classique de type "Yagi" (courbe C), en fonction de la fréquence, dans la bande 53-68 MHz. L'adaptation à la ligne d'alimentation ayant été réalisée au mieux, dans chaque cas, on voit nettement l'avantage assuré par les antennes selon l'invention en comparaison avec les performances des antennes classiques. Pour les antennes selon l'invention, le taux d'ondes stationnaires reste, dans toute la bande utile, limité à 1,2, ce qui correspond à une excellente adaptation. Se référant maintenant aux Figs. 9 et 10, celles-ci montrent les caractéristiques directives d'antennes Yagi, d'un type simple, comprenant, en plus du dipôle principal alimenté, un seul élément réflecteur. Les Figs. 9 et 10 montrent les performances d'une antenne de ce type, tant pour la polarisation horizontale de l'onde rayonnée (Fig. 9) que pour la polarisation verticale de celle-ci (Fig. 10). Les traits pleins et pointillés correspondent respectivement aux fréquences 65,55 et 54,40 MHz, comme précédemment. Les gains maximaux correspondants (par rapport à un dipôle simple) sont respectivement de 2,4 à 2,8 dB seulement pour la fréquence 65,55 MHz et tombent à O dB pour la fréquence 54,40 MHz. Sur les Figs. 9 et 10, la variation considérable du diagramme directif quand on passe de l'une à l'autre de ces fréquences apparat très nettement. il en est de meme dans le cas d'une antenne du même genre comprenant un dipble alimenté, un élément réflecteur et un élément directeur, dont les propriétés directives sont montrées sur la Fig. 11. On voit nettement sur celle-ci le renversement du diagr > me directif lorsqu'on passe de 65,55 MHz (trait plein) à 54,40 MHz (trait interrompu). il y a lieu de noter que le réflecteur, ci-dessus décrit comme formé d'un ensemble de dipôles parallèles, pourrait tout aussi bien être réalisé sous la forme d'une plaque métallique pleine ou ajourée, dite "en métal déployé". L'avantage de la réalisation cidessus décrite est d'offrir une prise au vent réduite au minimum, surtout pour les ondes métriques; mais il doit être bien entendu que, pour les ondes les plus courtes, une plaque métallique constituerait un réflecteur plus efficace. En résumé, les antennes de l'invention offrent les avantages ci-après - meilleur diagramme de directivité que celui des antennes classiques - gain amélioré dans la direction du rayonnement maximal - faible variation des caractéristiques directives dans toute la bande de fréquences utile - meilleure adaptation à une ligne d'alimentation. En dehors des avantages précédents, elles présentent encore, du point de vue mécanique, ceux de n'offrir qu'une faible prise au vent et de n'employer qu'un poids total réduit de matériel, et enfin d'avoir une forme géométrique ne les exposant pas à l'accumu- lation d'humidité. Ces qualités rendent leur emploi particulièrement indiqué dans les installations non surveillées telles que celles de réémetteurs (relais) de télévision et de radiodiffusion. REVt NDICATIO NS 1 - Antenne à large bande de fréquences pour ondes courtes, métriques et décimétriques, avec propriétés directives variant peu dans agite bande, forme d'au moins un ensemble de quatre conducteurs linéaires de longueurs égales disposés selon les côtés d'un quadrilatère et ayant chacun une longueur voisine du quart de la longueur d'onde moyenne d'utilisation, deux adjacents desdits conducteurs étant immédiatement reliés entre eux et à l'un et l'autre des deux autres conducteurs voisins, tandis que ces deux autres conducteurs sont isolés à leurs extrémités voisines et reliés à leurs autres extrémités respectivement à l'un et l'autre desdits conducteurs adjacents, les deux conducteurs d'une ligne d'alimentation étant respectivement connectés auxdites extrémités voisines isolées, caractérisée en ce qu'est disposé, dans un plan parallèle au plan dudit quadrilatère et situé à une distance de celui-ci voisine du quart de ladite longueur d'onde, un réflecteur formé d'un ensemble de conducteurs linéaires sensiblement parallèles entre eux et à une diagonale dudit quadrilatère et de longueur voisine de la moitié de ladite longueur d'onde, l'espacement entre deux voisins de ces derniers conducteurs étant une faible fraction de ladite loneur d'onde0 2 - Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit quadrilatère est un carré ou un losange. 3 - Antennc selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux ensembles en forme de carré disposés dans un meme plan et dans lesquels l'une et l'autre des extrémités isolées des conducteurs appartenant à l'un desdits ensembles sont immédia tccent reliés respectivement aux extrémités isolées des conducteurs de l'autre ensemble. 4 - Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ltespacemeni. entre coeducteirs parallèles voisins du réflecteur est choisi voisin du dixième de la Longueur d'onde, avcc une distance entre conducteurs extrêmes voisine de cette longueur d'onde. 5 - Antenne selon la revendication 1, caractèrise en ce que le réflecteur est formé d'une plaque métallique pleine ou ajourée,