Brevet FR2262869A1 — publié le 19750926

L'invention se rapporte aux antennes d'émission et/ou de réception des ondes électromagnétiques, et plus particulièrement dans le domaine des ondes hectométriques à métriques où les conditions d'exploitation exigent souvent un encombrement et un cotit de réalisation moins élevés que ne le permettent les antennes fouets accordées classiques et conduisent alors à des solutions imparfaites, au détriment des performances et de la facilité d'exploitation. Le problème de la réduction de la hauteur d'une antenne verticale rayonnant une onde polarisée verticalement au-dessus d'un plan de sol horizontal est étudié depuis longtemps et diverses solutions en ont été proposées. Un monopole de hauteur inférieure au quart d'onde présente à un circuit connecté à sa base une réactance négative qui doit être compensée pour retrouver la résonance. Dans ce but, une première catégorie de solutions connues consiste à charger l'extrémité supérieure du monopole par des surfaces conductrices qui forment capacité avec le sol, de façon à réduire la valeur de la réactance négative précitée. Dans une deuxième catégorie de solutions la réactance négative est compensée par une réactance-positive (inductance) connectée en série à un endroit ou à l'autre de la hauteur du monopole, suivant les conditions de réalisation, ou d'exploitation, escomptées. La réactance positive peut etre également branchée en parallèle à la base du monopôle, sous la forme d'une inductance ou sous la forme d'une ligne de transmission court-circuitée à son extrémité libre et de longueur inférieure au quart de la longueur d'onde de fonctionnement. Les deux catégories de solutions précédentes, qui peuvent encore se prêter à des combinaisons tenant de l'une et de l'autre, apportent un raccourcissement peu important et exigent souvent des moyens compliqués et motteux pour adapter l'impédance des antennes à celle des émetteurs ou des récepteurs auxquels elles correspondent. Une troisième catégorie de solutions consiste à charger l'extrémité supérieure du monopole par un conducteur, constituant une ligne de transmission avec son image dans le sol, dont la configuration peut revêtir différentes formes. L'extrémité libre de la ligne ainsi constituée peut être soit ouverte, soit court-circuitée ; elle peut encore être fermée sur une capacité ramenée au sol. L'ensemble de cette ligne de transmission et des organes qui la terminent éventuellement se trouve localisé dans le plan horizontal de l'extrémité supérieure du monopole vertical, ou au voisinage de ce plan. A cette catégorie appartiennent, par exemple, les antennes décrites dans la réédition Re 26 196 du brevet U.S. nb 3 151 328 et dans le brevet U.S. nO 3 247 515. Les résultats radioélectriques obtenus avec cette troisième catégorie de solutions sont remarquables, même avec un raccourcissement très important de la hauteur du monopôle, mais un certain nombre d'inconvénients subsistent. L'encombrement transversal du dispositif en tête du monopôle reste relativement important et accroît les efforts provoqués par lten- vironnement, ce qui apporte des problèmes de résistance mécanique. La valeur élevée de l'impédance caractéristique de la ligne de transmission de charge ne peut pratiquement pas être abaissée, ce qui limite le degré de liberté pour les calculs et la réalisation des paramètres électriques de l'antenne. En particulier, en raison de cette limitation, la sélectivité de l'antenne apportée par la surtension des circuits additionnels peut être trop grande pour la largeur du spectre à transmettre dans certaines applications, ou apporter une sensibilité gênante à la dérive d'accord due aux variations de la température ambiante, ce qui nécessite alors des systèmes d'accord asservis compliqués et coteaux. L'invention a pour objet la réalisation d'antennes du genre axial linéaires surmontant les inconvénients mentionnés ci-dessus, présentant une dimension axiale réduite et des dimensions radiales encore plus réduites et permettant une grande facilité de choix des paramètres et une réalisation économique en rapport aux conditions d'exploitation de chaque projet. Suivant l'invention, une antenne d'émission et/ ou de réception d'ondes radioélectriques, de structure axiale, alimentée au voisinage d'un point nodal de la tension électrique correspondant aux ondes 'radioélectriques, de longueur suivant l'axe comprise entre 0,005 et 0,2 fois la longueur de l'onde la plus courte å émettre ou à recevoir, et de dimensions transversales comprises entre 0,001 et 0,02 fois ladite longueur d'onde, comprend un premier corps comportant comme élément rayonnant une surface extérieure conductrice de l'électricité l'entourant au moins partiellement, ce corps étant creux suivant une direction sensiblement parallèle à son axe, un deuxième corps présentant une surface conductrice de l'électricité, introduit dans le creux du premier corps, d'une longueur au moins égale à la longueur du premier corps et constituant une ligne de transmission avec une surface conductrice située également à l'intérieur du premier corps et reliée électriquement au point nodal précité, par au moins un de ses points situés près du point nodal, et un organe de liaison électrique connectant l'extrémité éloignée du point nodal de la surface conductrice extérieure du premier corps à l'extré- mité éloignée du point nodal de la surface conductrice du deuxième corps. Une antenne suivant l'invention apporte les avantages de présenter des dimensions très réduites par rapport aux longueurs d'ondes de fonctionnement, non seulement longitudinalement, mais aussi transversalement, ce qui est particulièrement avantageux pour des installations sur des véhicules de tous genres et permet, pour des installations fixes, des réalisations d'une robustesse aussi grande qu'on le désire, compatible avec une utilisation dans des conditions mécaniques et thermiques d'environnement les plus sévères. Une telle antenne apporte en outre l'avantage de soustraire les éléments d'accord au champ rayonné et d'offrir un grand choix des paramètres de ces éléments qui facilite le calcul et la réalisation pour atteindre les résultats améliorés que l'on désire, tout en permettant l'utilisation de pièces courantes et économiques. Suivant l'invention, l'antenne peut comporter un premier corps constitué d'un tube métallique, ou d'un tube isolant revetu d'une surface extérieure conductrice, à l'intérieur duquel le deuxième corps à surface conductrice et la surface conductrice reliée au point nodal mentionnés ci-dessus peuvent être chacun au moins l'un des conducteurs d'un cible électrique, à deux conducteurs au moins de structure électriquement symétrique ou dissymétrique, d'un genre connu dans la technique. L'antenne se prête à des réalisations aussi bien de dipôles raccourcis, symétriques autour du point nodal précité, que de monopoles raccourcis élevés orthogonalement par rapport à un plan de sol conducteur. Dans l'un ou l'autre cas, la ligne de transmission intérieure peut présenter un prolongement disposé, suivant une configuration géométrique quelconque, dans une cavité formée par des parois conductrices de l'électricité, au voisinage du point nodal. Dans le cas des dipôles, cette cavité doit avoir des dimensions inférieures à 0,02 fois la longueur d'onde de fonctionnement la plus courte, par exemple. Dans le cas des monopoles, la cavité est située dans le plan de sol ou du côté de celui-ci opposé au monopole et n'est limitée en dimensions qu'en rapport aux dimensions du plan de sol.Le prolongement précité de la ligne de transmission à l'intérieur de la cavité, peut rester ouvert, et comporter des moyens permettant de faire varier sa longueur ou être connecté à des accessoires propres à régler l'accord de l'antenne sur différentes fréquences de fonctionnement ou à l'accorder sur une large bande de fréquences avec un réglage désiré. L'antenne L'antenne suivant l'invention offre donc l'avantage de permettre des réalisations apportant le meilleur compromis entre des dimensions réduites par rapport à une longueur d'onde de fonctionnement désirée et les caractéristiques radioélectriques de l'antenne, ou des réalisations pouvant fonctionner sur des gammes étendues de fréquences, avec une grande possibilité de régIages à la demande ou avec un réglage prédéterminé sur une large bande. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description donnée ci-après à titre d'exemples non limitatifs de réalisations d'antennes, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - La figure I est une coupe axiale représentant schématiquement une antenne suivant l'invention, - la figure 2 représente une coupe axiale d'une réalisation particulière sous la forme d'un monopole élevé sur un plan de sol, - la figure 3 représente une coupe axiale dtune réalisation particulière sous la forme d'un dipôle. En référence à la figure t, une antenne suivant l'invention comprend un premier corps 1 de forme oblongue dans lequel on peut arbitrairement déterminer un axe suivant lequel est exécutée la coupe. Le corps I, d'une matière quelconque, est creux dans une direction générale suivant son axe, et comporte à l'extérieur une surface extérieure 2 en une matière conductrice de l'électricité le recouvrant au moins partiellement sur toute sa hauteur.A l'intérieur du premier corps 1, est disposé un deuxième corps 3 recouvert au moins partiellement d'une surface conductrice en regard d'une autre surface conductrice intérieure 4 connectée électriquement par une extrémité à un point nodal 5 situé a' l'extrémité du conducteur de masse d'une ligne d'alimentation 6 reliant électriquement l'antenne à un émetteur ou un récepteur 7, un autre conducteur de la ligne étant connecté à un point convenable 8 de la surface extérieure conductrice 2. Un organe de liaison électrique 9 connecte une extrémité éloignée du point nodal de la surface extérieure conductrice 2 du premier corps 1 à l'extrémité éloignée du point nodal de la surface conductrice du deuxième corps 3.Les surfaces conductrices intérieures 3 et 4 constituent une ligne de transmission chargeant l'extrémité, opposée au point nodal, de la surface conductrice extérieure 2 qui constitue 1'élément rayonnant. La ligne de transmission à deux conducteurs 3 et 4 présente une impédance caractéristique dont la valeur peut être choisie à volonté dans une large étendue, et sa longueur peut aussi etre choisie, en référence à la longueur d'onde de fonctionnement, avec une grande latitude ; elle peut même comporter plusieurs segments de longueurs choisies et d'impédances caractéristiques différentes. Dans une réalisation d'un monopole vertical élevé au-dessus d'un plan de sol, par exemple, comme le représente la figure 2, le corps 1 peut être constitué par un tube métallique ou par un tube isolant recouvert, à l'extérieur, d'une surface métallique 2. Le tube métallique, ou la surface métallique, est isolé du plan de sol par un isolateur convenable Il, dans le cas où l'on veut alimenter le monopôle par la base. La ligne de transmission intérieure à deux conducteurs 3 et 4 est avantageusement constituée par un câble dont l'un des conducteurs 3 est connecté par un organe de liaison 9 à l'extrémité sommitale de la surface de rayonnement 2, et dont l'autre conducteur 4 est connecté au plan de sol, à son extrémité voisine de celui-ci.A cette même extrémité, la ligne de transmission peut comporter un organe de réglage, tel qu'un condensateur 12 de type coaxial dont l'une des armatures est connectée au point commun au conducteur 4 et au plan de sol, et dont l'autre armature est connectée à l'extrémité correspondante du conducteur 3. On peut donner à la ligne de transmission intérieure une longueur choisie à volonté en la repliant à l'intérieur du corps 1 ou sous le plan de sol 10. Les grandes possibilités de choix des paramètres (en particulier de l'impédance caractéristique de la ligne) conduisent aux meilleurs compromis. A titre d'exemple, un monopole de 1,20 mètre de hauteur au-dessus du plan de sol, accordable de 5 à 25 MHz, avec une bande passante de 10 pour cent, conserve un rendement de 80 à 98 pour cent. Dans une réalisation préférée d'un dipôle symétrique alimenté par son centre, en référence à la figure 3, la structure se déduit pour une part de celle qu'on a décrite précédemment, par une symétrie autour du centre géométrique. Deux corps I, 1' sont constitués par deux tubes métalliques ou par deux tubes isolants recouverts chacun d'une surface métallique 2, 2'. Deux lignes de transmission intérieures chacune à chaque tube, ont l'extrémité de l'un 3, 3' de leurs deux conducteurs connectée chacune par un organe de liaison 9, 9' respectivement à l'extrémité de chaque tube éloignée du centre. Au voisinage de ce centre, une cavité 21 formée par des parois conductrices dont les dimensions sont de l'ordre de 0,02 fois la longueur d'onde réunit mécaniquement les deux tubes 1, 1', par l'intermédiaire d'isolateurs convenables 22. L'extrémité voisine du centre de chaque ligne de transmission intérieure débouche dans la cavité 21 oU l'extrémité correspondante des conducteurs 4, 4' est connectée respectivement à l'une des armatures d'un condensateur 12, 12' dont l'autre armature est connectée à un point de la cavité. Le dipôle suivant l'invention présente les mêmes avantages que le monopole Les fonctions mécanique et électrique étant nettement séparées, il est facile à comprendre que les corps 1, l' peuvent être fabriqués en matériaux élastiques, et les surfaces conductrices avec des tresses métalliques flexibles de manière à rendre les antennes peu sensibles à des choses ou des actions mécaniques temporaires, ce qui est particulièrement appréciable sur des véhicules. Les antennes suivant l'invention se prêtent aussi à des réalisations de formes compactes et aérodynamiques qui, appliquées à des corps 1, 1' constitués de matériaux spécialement résistants, leur permettent de supporter les conditions d'environnement mécaniques et thermiques les plus sévères. I1 est clair que des modifications peuvent être apportées aux dispositifs décrits et représentés, sans sortir du champ de l'invention. REVENDICATIONS 1/ Antenne d'émission et/ou de réception des ondes radioélectriques, du genre axial, alimentée au voisinage d'un point nodal de longueur suivant l'axe comprise entre 0,005 et 0,2 fois la longueur d'onde de rayonnement et de dimensions transversales comprises entre 0,oelet 0,02 fois ladite longueur d'onde, caractérisée en ce qu'elle comprend un premier corps constituant ltélément rayonnant comportant une surface extérieure conductrice de l'électricité l'entourant au moins partiellement, ce corps étant creux suivant une direction parallèle à son axe, un deuxième corps présentant une surface conductrice de ltélectricité, introduit dans le creux du premier corps, d'une longueur au moins égale à la longueur du premier corps, constituant une ligne de transmission avec une surface conductrice située également à l'intérieur du premier corps et reliée électriquement au point nodal précité, par au moins un de ses points situés près du point nodal, et un organe de liaison électrique connectant l'extrémité éloignée du point nodal de la surface conductrice extérieure du premier corps à 1'extrémité éloignée du point nodal de la surface conductrice du deuxième corps. 2/ Antenne d'émission et/ou de réception des ondes radioélectriques, suivant la revendication I , caractérisée en ce que le premier corps est un tube métallique dont la surface extérieure constitue la surface conductrice rayonnante, et la surface intérieure constitue la surface conductrice faisant ligne de transmission avec la surface conductrice du deuxième corps. 3/ Antenne d'émission et/ou de réception des ondes radioélectriques, suivant la revendication 1 , caractérisée en ce que le premier corps est un tube en matière isolante dont la surface extérieure est revêtue au moins partiellement d'une surface conductrice. 4/ Antenne démission et/ou de réception des ondes radioélectriques, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le deuxième corps, intérieur au premier, est constitué par l'un au moins des conducteurs d'une ligne de transmission à au moins deux conducteurs, l'un au moins des autres conducteurs constituant la surface intérieure conduc trice précitée. 5/ Antenne d'émission et/ou de réception des ondes radioélectriques, suivant la revendication 1 , caractérisée en ce que la surface conductrice extérieure rayonnante du premier corps est constituée par la gaine conductrice extérieure d'un cable à trois conducteurs coaxiaux dont la gaine intérieure et l'âme conductrice centrale constituent chacune l'une des surfaces conductrices intérieures formant ligne de transmission. 6/ Antenne d'émission et/ou de réception des ondes radioélectriques, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 , caractérisée en ce que l'organe de liaison électrique connectant l'extrémité éloignée du point nodal de la surface extérieure conductrice du premier corps à ltextrémité voisine correspondante de la surface du deuxième corps situé à l'intérieur du premier est une portion de feuille métallique reliant électriquement les extrémités précitées des surfaces conductrices du premier et du deuxième corps. 7/ Antenne d'émission et/ou de réception des ondes radioélectriques, suivant l'une quelconque des revendications I à 6 , caractérisée en ce que la surface extérieure conductrice rayonnante du premier corps constitue un dipôle rayonnant symétrique raccourci, alimenté par des points voisins de son centre géométrique qui constitue le point nodal précité, et présentant deux extrémités symétriques éloignées de ce centre reliées à deux extrémités symétriques éloignées du centre de la surface conductrice du deuxième corps faisant ligne de transmission avec une surface conductrice intérieure également symétrique. 8/ Antenne d'émission et/ou de réception des ondes radioélectriques, suivant la revendication 7 , caractérisée en ce que la ligne de transmission constituée par les surfaces conductrices intérieures, d'une longueur supérieure à la longueur du premier corps, se prolonge a' l'intérieur d'une cavité formée par des parois conductrices de l'électricité, dont les dimensions sont inférieures ou égales à 0,02 fois la longueur d'onde la plus courte à transmettre ou à recevoir. 9/ Antenne d'émission et/ou de réception des ondes radioélectriques, suivant l'une quelconque des revendica tions 1 à 6, caractérisée en ce que la surface extérieure conductrice rayonnante du premier corps constitue un monopole élevé orthogonalement à un plan de sol conducteur. lO/ Antenne d'émission et/ou de réception des ondes radioélectriques, suivant l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que la ou les lignes de transmission, se prolongeant à l'intérieur de la cavité, ou sous le plan de sol, sont de longueurs réglables. 11/ Antenne d'émission et/ou de réception des ondes radioélectriques, suivant l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que la ou les lignes de transmission, se prolongeant à l'intérieur de la cavité ou sous le plan de sol, sont fermées chacune par un condensateur de valeur fixe ou de valeur réglable pour accorder l'antenne à une fréquence de fonctionnement désirée. 12/ Antenne d'émission et/ou de réception des ondes radioélectriques, suivant l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que la ou les lignes de transmission, se prolongeant à l'intérieur de la cavité ou sous le plan de sol, sont fermées chacune par une résistance connectant les surfaces conductrices à l'extrémité de leurs prolongements pour permettre le fonctionnement de l'antenne sur une large bande de fréquences.