Brevet FR2365216A1 — publié le 19780414

La présente invention se-rtpporte à une antenne fictive de puissance pour simuler une antenne réelle à large bande passante, cette large bande passante étant comprise dans le domaine allant des ondes métriques aux ondes hectométriques. De telles antennes fictives sont connues qui permettent d'effectuer des essais avec un émetteur de puissance tout en évitant le rayonnement et l'encombrement des antennes réelles. Lorsqu'un émetteur est prévu pour fonctionner dans une large gamme de fréquences, les antennes fictives connues nécessitent, pour pouvoir être utilisées sur toute I'étendue de cette gamme, que des commutations de certains de leurs -circuits constitutifs soient effectuées. Ces commutations sont bien entendu une gêne sur le plan de l'utilisation ; de plus, en raison des puissances mises en jeu, les circuits à commuter et les commutateurs pour réaliser ces commutations font qu'une antenne fictive est chère. La présente invention a pour but d'éviter ee inconvénients. Ce résultat est-obtenu par transformation d'impédance au moyen d'une ligne. Selon l'invention, une antenne fictive du type décrit au début de ce-texte est caractérisée en ce qu'elle comporte une ligne dorit l'impdance caruccéristique, ZC , est choisie de manière que, sur l'abaque de Smith, la courbe en forme de spirale représentative du rapport de l'impédance Z de l'antenne réelle à l'impédance C oit sensiblement centrée sur le point milieu de l'abaque ; et une impédance de charge, ZL s unique pour toute la bande passante, branchée l'une des extrémités de la ligne, l'autre extrémité de la ligne constituant l'accès d'utilisation de l'antenne fictive, la courbe représentative du rapport ZL étant sensiblement portée, sur l'abaque de Smith, par le cercle de conductance égale à 1. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent : - la figure 1 le schéma de branchement entre un émetteur et une antenne, - les figures 2 à 4 des diagrammes de Smith relatifs à des antennes, - la figure 5 le schéma de principe d'une antenne fictive suivant l'invention, - la figure 6 une vue en coupe d'une antenne fictive suivant l'invention, - la figure 7 une vue détaillée d'un élément de la figure 6. La figure i représente un schéma de raccordement entre un émetteur 4 et une antenne 1, cette antenne pouvant notre réelle ou fictive et, dans le cas où elle est fictive, pouvant etre selon l'art connu ou selon l'invention. L'antenne 1 est reliée à l'émetteur 4 par l'intermédiaire d'une boite d'adaptation 2 et d'une ligne d'alimentation 3, appelée feeder dans la littérature anglo-saxonne. Quand, pour effectuer des essais,une antenne fictive est utilisée, cette antenne -fictive doit présenter une impédance aussi voisine que possible de celle de l'antenne réelle qu'elle remplace. La figure 2 représente le diagramme de l'impédance d'une antenne fouet de 10 mètres de haut comportant un plan de sol de huit brins de 10 mètres et destinée à fonctionner à des fréquences de la bande 2-30 MHz. Ce diagramme est dessiné en impédance réduite sur un abaque de Smith,en considérant une impédance caractéristique ZC = 50 ohms,et se présente comme une courbe en forme de spirale. Par souci de clarté et de simplification des dessins, sur la figure 2, comme sur les figures 3 et 4, n'ont été représentés de l'abaque de Smith qu : - le cercle dont la circonférence G est représen tative des résistances réduites constantes égales à zéro, - le segment de droite DR représentatif des résis tances réduites pures, avecbs valeurs O , 1 et l'infini portées par ce segment de droite, de plus a été indiqué par le repère XL celle des moitiés du cercle susmentionné limitée par le segment de droite fi Ret dont les points sont représentatifs d'impédances réduites inductives, les points de l'autre demi-cercle étant bien entendu représentatifs d'impédances réduites capacitives. La direction des déplacements vers la source sur l'abaque de Smith a été repérée sur les figures 2 à 4 paf une flèche S. Sur la figure 2, le segment DR étant placé verticalement avec la valeur 0 en haut et la valeur infinie en bas, on constate que le diagramme occupe principalement la partie inférieure de l'abaque de Smith. Or on ne sait pas réaliser une antenne fictive avec une ligne de 50 ohms d'impédance caractéristique chargée par une impédance unique et qui puisse présenter entre 2 et 30 MHz le diagramme de la figure 2. Si l'on trace à nouveau le diagramme en impédance réduite de l'antenne réelle considérée, non plus en prenant une impédance caractéristique C de 50 ohms, mais des valeurs successives croisLs.ites d ZC , la courbe en !'orme de spirale se dilate vers le haut de l'abaque de Smith. Pour une valeur de ZC égale à 250 ohms le courbe en forme de spirale est sensiblement centrée sur le point milieu de l'abaque : valeur 1 sur le segment fi Rcorrespondant au point de taux d'ondes stationnaires égal à 1 sur l'abaque. La figure 3 représente le diagramme enimpédance réduite de l'antenne considérée en prenant une impédance caractéris- tique de 250 ohms. La figure 4 permet de montrer qu'un tel diagramme peut être reproduit avec une bonne approximation à l'aide d'une antenne fictive, comportant une ligne de 250 ohms d'impédance caractéristique et de longueur correctementchoisie avec, branche sur la ligne, une charge terminale de valeur convenable ne nécessitant aucune commutation dans toute la bande de fréquences où l'antenne fictive doit simuler l'antenne réelle du diagramme de la figure 2. En effet, on sait que, pour une fréquence donnée F, le point du diagramme d'une charge terminale d'une ligne de longueur L est transformé par la ligne en un autre point par une rotation (dans le sens de la flèche S sur les abaques des figures 2, 3 et 4) et que l'angle de rotation a pour valeur g = AL avec > = vr où v est la vitesse de propagation dans la ligne ; or des considérations géométriques montrent qu'il est possible d'obtenir une courbe très voisine de la courbe en spirale de la figure 3 en utilisant une charge terminale du type circuit surie à résistance R et capacité C , avec comme résistance R une résistance de valeur égale à ZC (ici 250 ohms) ; ce choix de R, qui résulte des considérations géométriques évoquées plus haut, est destiné à faire que le diagramme en impédance réduite porté par le cercle à resistance constante passant par le centre (valeur 1 du segment qR) de l'abaque de mith. Les valeurs de C et de L sont également déterminées sur l'abaque de Smith. On sait que, par exemple à la fréquence F2 de fonctionnement de l'antenne fictive, le point B' que l'on désire avoir comme représentation de la transformation de l'impédance terminale par la ligne occupe une certaine position donnée par le diagramme de l'antenne réelle de la figure 2.Si de ce point B' on trace un arc de cercle ayant pour centre le centre de l'abaque de Smith, l'intersection B de cet arc de cercle avec le diagramme représentatif de la charge terminale est représentatif de l'impédance réduite de la charge terminale à la fréquence F2 . La courbe à réactance constante du diagramme de Smith (non représentée sur la figure 4) passant par le point B donne la valeur de la réactance réduite à la fréquence F2, on en déduit la valeur du condensateur permettant d'obtenir cette réactance à la fréquence F2 ; quant à la longueur de l'arc g2 joignant B à B' , elle permet de déterminer la L longueur L de la ligne puisque l'on a g2 = Sur la figure 4 on a également représenté les transformés A' et C' de deux points A et C du diagramme de l'impédance de charge correspondant respectivement à des fréquences F1 et F3 ; c'est grâce à la connaissance de L L permettant de calculer la rotation g = A que sont déterminés A' et C' et ctest de cette manière que peut être tracé point par point le diagramme en forme de spirale de l'impédance réduite. Les valeurs de la capacité C et de la longueur L déterminées à partir des diagrammes sont ajustées au mieux pour que le diagramme de l'antenne fictive ressemble le plus possible au diagramme de l'antenne réelle. Dans le cas concret de l'antenne fictive destinée à remplacer l'antenne fouet susmentionnée, le condensateur C est un condensateur de 27 pF , quant à la longueur électrique apparente de la ligne elle est de 10 mètres. Ces valeurs conduisent, vers les fréquences basses de la gamme, à une ligne un peu trop longue pour simuler parfaitement l'antenne réelle ; ainsi le point A' devrait en fait être en A'1 Pour reproduire plus parfaitement la courbe de l'antenne réelle il faudrait utiliser un circuit de charge plus complexe et notamment, ajouter une inductance de valeur élevée en parallèle sur le circuit de charge R-C, pour assurer la coincidence de phase exacte à la fréquence minimum F1 de la gamme. L'action de cette inductance de valeur élevée stamenuise rapidement lorsque la fréquence augmente.Il est à noter qu'il faut utiliser pour cette inductance un élément ayant très peu de capacité parallèle et un rapport longueur sur diamètre suffisant pour lui permettre de supporter, sans dommage, l'assez forte puissance réactrice appliquée. il faut, aussi veiller à éviter toute résonance parasite genante. Dans le cas de l'exemple précite une inductance de 200 MH environ assure une coincidence de phase parfaite à 2MHz ; toutefois une portion de cette inductance doit etre amortie pour éliminer l'effet d'une résonance série avec la ligne vers 20 MHz. On peut aussi très'facilement réduire la valeur de la partie réelle de l'impédance de l'antenne fictive aux fréquences très basses de la gamme et simuler ainsi des antennes dont la résistance n'est que de quelques ohms à la fréquence minimum. Il suffit, pour cela, d'ajouter une inductance de valeur convenable en parallèle sur la résistance de charge R. Cette inductance réduit la valeur apparente de R aux fréquences basses en déportant le point A vers l'extérieur de l'abaque, sur un cercle à résistance constante de plus grand diamètre que le précédent. a figure 5 est le schema d'une antenne fictive selon l'invention. Comme il a été vu à l'aide des figures 2 à 4 cette antenne fictive comporte une ligne 1 chargée par un circuit comportant une résistance R en série avec un condensateur C. La ligne 1 est du type comportant un conducteur 10 disposé à une certaine distance d'un plan de masse ID w son accès opposé à celui sur lequel est branchée la charge R-C constitue l'accès d'utilisation, E, de l'antenne fictive. L'antenne fictive de la figure 5 comporte un dispositif permettant la mesure de la puissance HF dissipée dans l'antenne à l'aide d'un wattmètre ; le wattmètre n'est pas représenté sur la figure. Ce dispositif est constitué d'une part d'un câble h dont la première extrémité forme l'accès, e , destiné à recevoir un appareil de mesure et d'autre part de deux résistances r1 et r2 montées en série et branchées entre les conducteurs interne et externe du câble h , à la seconde extrémité de ce câble. La résistance R comporte six éléments résistifs identiques R1 à R6 Le condensateur C est relié au plan de masse, m par R1 et r1 en série et par R2 , R3 ; R4 , R5 et R6 ; quant à la résistance r2 elle est branchée entre le conducteur interne du câble h et le point commun à R1 et r1. Le schéma électrique de la figure 5 correspond à une antenne fictive destinée à simuler l'antenne réelle décrite plus avant et correspondant aux diagrammes des figures 2 et 3. Les caractéristiques des éléments constitutifs de cette antenne fictive sont les suivantes - ligne 1 : ligne repliée réalisée à l'aide d'environ 25 mètres de fil argenté de 3mm de diamètre, ce qui correspond à une longueur électrique, L , de 10 mètres environ, - condensateur C : condensateur de 27 pF capable de supporter une tension continue de 15000 volts - éléments résistifs R1 à R : six éléments non induc- tifs dont chacun présente une résistance de 1500 ohms et est prévu pour dissiper une puissance de 280 watts avec un refroidissement par air, - câble h : câble coaxial de 50 ohms d'impédance carac téristique, - résistances r1 et r2 : l'atténuateurà à résistances R1r1 r2est destiné à fournir une puissance à mesurer inférieure de 30 décibels à la puissance dissipée dans la résistance R, les résistances r1 et r2 ont, à cet effet, comme valeur 44 ohms pour r1 et 7,5 ohms pour r2 ; la résistance r1 comprend cinq résistances de 220 ohms en parallèle et la résistance r2 deux résistances de 15 ohms en parallèle. L'antenne fictive ainsi réalisée permet, d'après les mesures qui ont été faites, de simuler l'antenne réelle prise comme exemple avec une précision telle que les fréquences de résonance successives de l'antenne fictive ne pas de plus de 5% de celles de l'antenne réelle dans la gamme de fonctionnement de l'antenne réelle, c'est-à-dire entre 2 et 30 MHz. La figure 6 est une vue en coupe de l'antenne fictive dont Jes caractérj.stiques ont été données à l'occasion de la description de la figure 5. Cette antenne fictive comporte un boîtier 20 d'une hauteur de 830 mm, d'une largeur (dimension perpendiculaire au plan de la figure) de 600 mm et d'une profondeur de 400 mm. Le boîtier 20 -est un bottier métallique reposant sur le sol par l'intermédiaire de pieds isolants tels que 24, 25. La paroi arrière 22 du boîtier est grillagée, ainsi qu'une partie, telle que 26, des parois latérales, de manière à faciliter le refroidissement des six éléments résistifs, R1 à R , de la résistance R ; seul de ces éléments, l'élément R1 est visible sur la figure L'intérieur du bottier est séparé en deux parties par un blindage intérieur, 23, parallèle aux parois avant, 21, et arrière, 22, et situé à équidistance de ces parois.A l'intérieur de l'une des deux parties du bottier sont disposés les éléments constituant la charge R-C de l:antenne fictive ainsi que le dispositif permettant la mesure de la puissance HF dissipée dans 11 antenne fictive - condensateur C - éléments résistifs R1 à R6 - résistance r1 - résistance r2 - câble h du type coaxial à l'intérieur de l'autre des deux parties du bottier est disposé un assemblage isolant, 9, qui supporte le conducteur 10 de la ligne de l'antenne fictive si bien que le bottier métallique 20 d'une part sert de plan de masse pour la ligne et d'autre part constitue un blindage qui arrête le rayonnement produit par la ligne ; une vue en perspective de l'assemblage 9 et de la ligne 10 sera donnée par la figure 7.Le positionnement de l'assemblage isolant 9, et donc du conducteur 10 par rapport au bottier, se fait grâce à des entretoises , telles que 37, 38 ; le réglage de l'impédance caractéristique de la ligne est obtenu en faisant varier la longueur de ces entretoises. L'accès d'utilisation, E , de l'antenne fictive est constitué par deux bornes 30, 31 dont l'une, 31, est reliée électriquement au bottier et dont l'autre, 30, comporte une pièce creuse isolante et un ensemble conducteur isolé du bottier par la pièce creuse et réalisant une liaison entre l'une des extrémités du conducteur 10 et l'espace extérieur au bottier 20. L'autre extrémité du conducteur 10 est réunie à travers une borne isolante 33 qui traverse le blindage intérieur 23 à la première armature du condensateur C dont la seconde armature est reliée à une borne 34 rendue solidaire du boîtier 20 par une pièce isolante. La figure 6 montre que l'élément résistif R1 est branché entre la borne 34 et une borne 35 semblable à la borne 34 ; les éléments résistifs R2 à R6 , non visibles sur la figure 6 , sont branchés en parallèle les uns avec les autres entre la borne 34 et une borne reliée électriquement au bottier et n'apparaissant pas sur la figure. La résistance r1 est branchée entre la borne 35 et une borne 36 reliée électriquement au bolier 20 et la résistance r2 est branchée entre la borne 35 et la première extrémité du conducteur intérieur du câble coaxial h. Quant au cable h il est prolongé, du côté opposé à la résistance r2 f par une fiche 32 qui traverse la paroi du boîtier et constitue l'accès e prévu pour recevoir l'appareil de mesure HF. La figure 7 montre comment est monté le conducteur 10 de la ligne de l'antenne fictive représentée sur la figure'6. L'assemblage isolant 9 est formé de cinq barres, 41 à 45, solidaires les unes des autres et servant de moyen de fixation pour le conducteur 10 disposé en accordéon dans un plan. Des antennes fictives selon l'invention peuvent bien entendu présenter une structure différente de la structure décrite à l'aide des figures 5, 6 et 7. C'est ainsi que, par exemple, la ligne repliée peut être remplacée par une ligne bifilaire blindée. De meme, dans l'antenne fictive selon la figure 6, le blindage intérieur 23 peut être supprimé, il suffit alors de placer le conducteur 10 plus près de la paroi avant 21 du boîtier 20. REVENDICATIONS 1. Antenne fictive de puissance pour simuler une antenne réelle à large bande passante, cette large bande passante étant comprise dans le domaine allant des ondes métriques aux ondes hectométriques, caractérisée en ce qu'elle comporte : une ligne dont l'impédance caractéristique, ZC , est choisie de manière que, sur l'abaque de Smith, la courbe en forme de spirale représentative du rapport de l'impédance Z de l'antenne réelle à l'impédance ZC soit sensiblement centrée sur le point mil eu de l'abaque; et une impédance de charge, ZL unique pour toute la bande passantz, branchée à l'une des extrémités de la ligne, l'autre extrémité de la ligne constituant l'accès d'utilisation de ZL l'antenne fictive, la courbe représentative du rapport ZC étant sensiblement portée, sur l'abaque de Smith, par le cercle de conductance égale à 1. 2. Antenne fictive selon la revendication 1, comportant un bottier métallique, caractérisée en ce que la ligne comporte un conducteur et un plan de masse et en ce que ledit plan de masse est formé par les parois internes du bottier. 3. Antenne fictive selon la revendication 2, caractérisée en ce que la ligne est une ligne repliée dont le conducteur est disposé dans un plan parallèle à l'une des parois du bottier. 4. Antenne fictive seio la revendication 1, dont l'impédance de charge est du type circuit R-C série, caractérisée en ce quelle comporte un dispositif permettant d'effectuer la mesure de la puissance HF qu'elle dissipe par prélèvement d'une fraction de la puissance dissipée dans la partie résistive de 17 impédance de charge. 5. Emetteur de puissance caractérisé en ce qutil est relié à une antenne fictive selon l'une des revendications précédentes.