Brevet FR2481525A1 — publié le 19811030

La présente invention se rapporte a un système rayonnant formé d'antennes verticales, superposées et plus particulièrement à un tel système dans lequel au moins l'antenne la plus basse est une antenne HF. Pour des raisons de rayonnement, dans les sys- tèmes rayonnants à antennes superposées une antenne qui travaille dans des fréquences plus élevées qu'une autre est placée au-dessus de cette autre antenne. Dans le cas o, Dar exemple, il serait souhaitable, pour des raisons de place, d'avoir une antenne HF surmontée d'une antenne UIF, la gaine extérieure du cable d'alimentation de l'an- tenne UHF se comporterait comme un court-circuit au ni- veau de la zone d'excitation, empêchant donc le fonc- tionnement de l'antenne HF e ceci est dû aux faibles di- mensions des éléments vis-à-vis de la longueur HF de fonctionnement. Le but de la présente invention est d'éviter cet inconvénient du court-circuit. Ceci est obtenu en créant sur la ligne coaxiale d'alimentation de l'antenne supérieure des discontinui- tés qui évitent de perturber l'excitation de l'antenne HF malgré le passage de cette ligne coaxiale au voisi- nage immédiat de la zone d'excitation HF. Selon l'invention le système rayonnant vertical formé d'antennes superposées, a son antenne la plus basse qui est une antenne HF et comporte un isolateur inséré dans le câble d'alimentation de chacune des au- tres antennes,1 à lendroit o ce câble passe dans la zone d'excitation de l'antenne la plus basse. Leinvention sera mieux comprise et d'autres ca- ractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: - la figure 1, le schéma d'un équipement radio- électrique comportant un système rayonnant; - les figures 2 à 4 des schémas électriques se- lon l'invention, se rapportant à un des éléments de la figure l; - la figure 5, le schéma en coupe de l'élément auquel se rapportent les figures 2 à 4. Sur les différents dessins les éléments corres- pondants sont repérés par les mêmes symboles. Dans les figures 1 et 5 les proportions n'ont pas été intégralement respectées de manière à rendre ces figures plus lisibles et l'invention plus facile à com- prendre. La figure 1 représente un équipement radioélec- trique formé d'un système rayonnant, vu dans un plan de coupe, et le matériel associé à ce système rayonnant; le système rayonnant est composé d'une antenne HF,l, et d'une antenne UHF,2, avec leur câble d'alimentation. L'antenne 1 est destinée à fonctionner dans la gamme de fréquence: 2 - 24 Maz; il est d'ailleurs à noter que dans la description et dans les revendica- tions, partout o il sera fait mention de fréquences HF il faudra entendre non seulement des fréquences allant de 3 à 30 MHz mais également des fréquences VHF et sur- tout HF proches des fréquences HF, c'est-à-dire, au total, des fréquences comprises entre 1 MHz et 100 MHz. L'antenne 1 est constituée par un cylindre creux, vertical de 6 mètres de long et de 13 centimè- tres de diamètre; ce cylindre est placé à 40 centimè- tres au-dessus du toit,6, d'un abri auquel il est mé- caniquement relié par un support isolant 7. L'antenne HF,1, est surmontée d'une antenne UHF,2, qui comporte un plan de sol réduit, 21, et un élément rayonnant, 20. Un émetteur HF,11, et un récepteur HF,12, sont reliés à l'antenne HF,1, par l'intermédiaire d'une boite d'adaptation d'antenne 10 dont les conducteurs de sortie 14, 15 sont respectivement reliés à la masse, constituée ici par le toit de l'abri, et au bas de l'antenne HF,1. La zone d'excitation de l'antenne 1 est donc la zone située entre le cylindre vertical consti- tuant l'antenne 1 et le toit,6, de l'abri. L'antenne UHF,2, est destinée à un fonctionne- ment en identification (dans la littérature anglo-sa- xonne"I.F.F. ou Identification Friend or 'Poe"signifiant "identification ami-ennemi"); elle est prévue pour travailler sur deux fréquences, l'une en émission et l'autre en réception: 1030 MHz et 1090 MHz. L'antenne UHF,2, est reliée à un émetteur-ré- cepteur UHF,5, par l'intermédiaire d'un câble coaxial 4a, 4b dans lequel est intercalé un isolateur,3. La partie 4 du câble située entre l'emetteur-récepteur 5 a et l'isolateur 3 a sa gaine qui est reliée à la masse. La partie 4b du câble située entre l'isolateur 3 et l'antenne UHF,2, est placée à l'intérieur du cylindre creux de l'antenne 1. Ce morceau de câble 4b a son conducteur central relié à l'élément rayonnant 20 de l'antenne 2 et sa gaine reliée d'une part à la paroi interne de l'antenne 1 au voisinage de l'extrémité in- férieurede cette antenne et d'autre part à l'extrémi- té supérieure d'un petit cylindre creux 22 de profon- deur - = 7 cm ( A: longueur d'onde moyenne de fonctionnement de l'antenne UHF, soit 28 cm; le pe- tit cylindre creux 22 dont le fond est court-circui- té ramène donc une impédance infinie à son extrémité supérieure, pour les longueurs d'onde de fonctionnement de l'antenne UHF. Ce petit cylindre permet donc l'isola- tion radioélectrique,pour la fréquence de fonctionnement de l'antenne UHF,du plan de sol réduit 21 et de 1'élé- ment rayonnant HF,1. Le rayonnement UHF est ainsi peu perturbé par son support mécanique 1. L'isolateur 3 de la figure 1 est destiné à évi- ter que le câble d'alimentation de l'élément rayonnant UHF,2, fasse courtcircuit dans la zone d'excitation de l'antenne HF. Pour tenir ce. rôle,l'isolateur doit pou- voir - assurer la propagation guidée par lignes des ondes UHF avec un minimum de pertes et un très bon rapport d'ondes stationnaires, interdire le couplage parasite d'ondesHF, - supporter la différence de potentiel élevée qui apparaît entre les deux points d'excita- tion de l'élément rayonnant HF lors du fonc- tionnement de cet élément; dans le cas de l'exemple décrit cette différence de potentiel atteint 10.000 V., - présenter dans la zone d'excitation de l'anten- ne HF, et pour la gamme HF considérée, une très forte impédance qui soit équivalente à l'impédance d'une faible capacité. La figure 2 est le schéma électrique équivalent de l'isolateur 3 de la figure 1. C'est le schéma de dé- part qui a permis de concevoir matériellement l'isola- teur. La figure 2 montre l'extrémité du morceau de câble coaxial 4a qui arrive en AA' sur l'isolateur 3 et l'extrémité du morceau de câble 4b qui en repart en BB'. Entre A et B sont montés en série un condensateur C et une inductance L1 qui constituent un circuit résonnant série. Entre A' et B' sont montés en série deux élé- ments, C2, L2 respectivement identiques à Cl, LlO De plus, entre les bornes AA' et BB', sont respectivement branches deux circuits résonnants parallèles L3-C3, L4-C4 Les circuits résonnants série L1-Cif L2-C2 in- sérés en série dans chacun des conducteurs du câble 4a 4b, doivent présenter une impédance faible dans la bande des fréquences d'utilisation de l'antenne UHF,2, et une impédance très élevée dans la bande des fréquen- ces d'utilisation de l'antenne HFlo Inversement les circuits résonnants parallèles L3-C3à L4-C. insérés en parallèle entre chacun des conducteurs du câble a 4b, doivent présenter une impédance très élevée dans la bande des fréquences d'utilisation de l'antenne UHFI2, et une impédance faible dans la bande des fréquences d'utilisation de l'antenne HF.l1 La solution qui a éte retenue, dans le cas de l'exemple décrit, pour réaliser l'équivalent électri- que des circuits résonnants parallèles L3-C3, L4-C4 a-été la solution des bras de réactance (stubs dans la xi littérature anglo-saxonne) de longueur - = 7 cm o A. est, comme indiqué précédemment, la longueur d'onde moyenne de fonctionnement de l'antenne U.HoF. Ces bras de réactancede longueur -, fermés par un court- circuit, ramènent une impédance infinie sur leur entrée pour la longueur d'onde moyenne de fonctionnement de l'antenne UHF,2, et se comportent comme une impédance négligeable pour les fréquences de fonctionnement de 1'antenne HF,l. Les bras de réactance seront décrits à l'aide de la figure 5. Pour la réalisation des inductances L1-L2 de la figure 2 il est à remarquer que, lorsqu'un tronçon de ligne MN-M'N', d'impédance caractéristique Z2, (figure 3) est inséré dans une ligne d'impédance caractéristique Zl, ce tronçon de ligne est équivalent à la mise en sé- rie dans la ligne d'impédance Z1 d'une inductance à condition que Z2 soit grand devant Z1 et que la lon- gueur k1 de ce tronçon de ligne soit petite devant la longueur d'onde de fonctionnement dans la ligne. Dans le cas de l'exemple décritla ligne d'impédance caractéris- tique Z1 est constituée par le câble coaxial 4a 4b de la figure 1 dont l'impédance caractéristique est de 50 ohms et par des prolongements, également d'impédance Z1 = 50 ohms, de ce câble à l'intérieur de l'isolateur; cette ligne est chargée par l'antenne UHF,2, dont la charge est adaptée c'est-à-dire égale à Z1 = 50 ohms. Par ailleurs, toujours dans le cas de l'exemple décrit, k1 = 14 mm, Z2 = 180 ohms et la longueur d'onde moyen- ne de fonctionnement Ai vaut 28 cm. L'impédance présen- te en MM' (figure 3) qui vaut Z1+jZ2tg 2=k ZMM = Z.... . z2+jzltg 2- peut, dans ces conditions, s'écrire 2%k1 ZMM = Z1 + jZ2tg i Z1 + jLw car Z2 = 180 ohms est très supérieur à ztg 2kl = 50tg O = 17 ohms Zltg' ainsi l'impédance ramenée en MM' est la somme de 1'im- pédance Z1, ramenée en MM' avant l'insertion du tron- çon de ligne, et de l'impédance jZ2tg 2k qui est équivalente à une inductance. Pour ce qui est des inductances série L1,L2 de la figure 2, elles ont été conçues en partant du fait qu'un tronçon de ligne d'impédance caractéristique Z3 et de longueur k2, en circuit ouvert, ramène sur son accès une impédance 1 1 jZ3tg2ik jCii Les circuits résonnants L1-C1, L2-C2 seront donc adap- tés pour la fréquence moyenne de fonctionnement de l'antenne UHF,2, lorsque L sera égal à C c'est-&- dire pour Z2tg 2 =k 2 Z2t **t 2-Z En fonction de ce qui précède l. 'isolateur 3 de la figure 1 peut être représenté, dans le cas de l'exem- ple décrit, selon le schéma de la figure 4. L'isolateur 3, tel que représenté sur la figure 4, comporte: - deux bras de réactance 30, 31 branchés à cha- cun des accès AA, BB' de l'isolateur et for- més chacun d'un tronçon de ligne de longueur A. -court-circuité à son extrémité, À. - et, entre l'accès AA' et l'accès BB', une li- gne composée d'un premier, d'un deuxième et o d'un troisième tronçon de ligne, d'impédances caractéristiques respectivement égales à Z1 = 50 ohms, Z2 = 180 ohms et Z1, avec, en- tre les conducteurs de ces trois tronçons, des lignes d'impédance caractéristique Z3 = 50 ohms, en circuit ouvert. La figure 5 est une vue en coupe de 1'isolateur 3 de la figure 1 tel qu'il a été réalisé pour l'antenne UHP travaillant aux fréquences de 1030 et 1090 MHz. Cet isolateur comporte quatre tubes cylindriques creux, en laiton 32a,32b, 33a,33b, de 14 cm de long, 16 mm de diamètre intérieur et 24 mm de diamètre exté- rieur. Les tubes 32a et 33, d'une part, 32 et 33b' d'autre part, sont placés dans le prolongement l'un de l'autre à une distance de 14 mm. De plus les tubes 32a et 32b' d'une part, 33-a 33b d'autre part, sont dans des positions qui se déduisent l'une de l'autre par une translation de 26 mm perpendiculaire à leur grand axe non représenté. Une plaque métallique en laiton, 32 ferme les tubes 32, 32b a leur extrémité opposée aux tubes 33a' 33b; de la même façon une plaque métalli- que en laiton, 33c ferme les tubes 33a-' 33 à leur ex- trémité opposée aux tubes 32a, 32b* Deux petites barres métalliques, en laiton, 34 a 34b sont respectivement disposées selon les grands axes des tubes 32a, 33a et 32b' 33b' Ces barres sont faites de cylindres pleins de 90 mm de long et 6 mm de diamè- tre, terminés a leurs deux extrémités par des boules contre l'effet Corona, de 10 mm de diamètre. La barre 34 s'enfonce de 38 mm dans les tubes 32a et 33a; de même la barre 34b s'enfonce de 38 mm dans les tubes 32b et 33b Un diélectrique, 35, de constante diélec-.- trique égale à 2, entoure les barres 34a et 34b dans leur partie médiane et pénètre dans les tubes 32 â 32b' 33a' 33b sur une longueur de 25 mm; ce diélec- trique, outre son râle électrique, participe avec les plaques métalliques 32C,33 à la rigidité mécanique de l'isoIateur. Deux câbles coaxiaux 4a, 4b pénètrent respecti- vement dans les tubes 32a 33 par des trous percés a ' a dans les plaques 32c 33c; les gaines extérieures de ces câbles coaxiaux sont soudées sur les plaques. A une dis- xi_ tance - =7 cm des plaques formant courts-circuits, ces câbles sont connectés, par leur gaine, respective- ment aux tubes 322a" 33 en A et B et, par leur conduc- 248 1525 teur central, respectivement aux tubes 32b, 33b en A' et B'; à cette fin un trou du diamètre des câbles coa- xiaux est percé dans la paroi des tubes 32, 33a. L'isolateur, tel qu'il vient d'être décrit à l'aide de la figure 5, supporte la tension HF de 10 000V, en valeur efficace, qui apparait entre les tubes 32a 32 et les tubes 33a 33b et qui est dû au voisinage de la zone d'alimentation de l'antenne HF. Dans l'isolateur selon la figure 5 apparaissent les éléments dont il a été question à 1'occasion de la description de la figure 4, à savoir: - le bras de réactance 30 constitué par la pla- que 32 et les tubes 32a 32b sur une longueur de -i = 7 cm à partir de la plaque 32 - le bras de réactance 31, constitué par la pla- que 33 et les tubes 33 33 sur une longueur Ài C a b de = 7 cm à partir de la plaque 33 c - les deux lignes d'impédance caractéristique Z1 = 50 ohms, qui sont les lignes bifilaires constituées respectivement par les tubes 32a, - 32b et 33a, 33b entre les points de connexion AAM et BB' et lextrémité ouverte de ces tubes, - les quatre tronçons de lignes,d'impédance ca- ractéristique Z3 = 50 ohms en circuit ouvert, qui sont constitués par les parties des tubes 32a 32b 33a, 33b a l'intérieur desquelles pé- nètrent les barres 34a' 34b et les portions de ces barres pénétrées à l'intérieur de ces tu- bes, - la ligne d'impédance caractéristique Z2 = 180 ohms, qui est une ligne bifilaire constituée par la partie des deux barres 34a, 34b extérieure aux tubes 32a, 32b' 33a' 33b. Il est à noter que d'autres réalisations d'iso- lateurs sont également-possibles. C'est ainsi que, par exemple, le schéma selon la figure 2 peut être remplacé par un montage comportant, en série dans chaque ligne, deux circuits résonnants série et, entre le point com- mun des circuits résonnants série d'une ligne et le point commun de l'autre ligne, un circuit résonnant pa- rallèle. Il est à remarquer que l'isolateur selon les fi- gures 2 et 4 est réalisé au moyen d'éléments à constan- tes réparties, mais qu'en fonction de la fréquence d'uti- lisation de l'antenne au câble de laquelle est destiné l'isolateur, il est également possible d'utiliser des éléments à constantes localisées. Par ailleurs le système rayonnant qui a été re- présenté sur la figure 1 ne comportait que deux anten- nes superposées mais il est également possible de réa- liser des systèmes rayonnants selon l'invention avec plus de deux antennes superposées; dans ce cas, a cha- que passage d'un câble d'alimentation d'une antenne dans la zone d'excitation d'une antenne HF, un isola- teur doit être inséré dans le câble. 1i REVENDICATIONS 1. Système rayonnant vertical formé de n an- tennes (n entier supérieur à 1) superposées (1,2), ca- ractérisé en ce que, l'antenne inférieure (1) de ce système étant une antenne RF, il comporte n-1 isolateurs (3) insérés dans les n-l câbles d'alimentation (4a 4b) des n-l antennes autres que l'antenne inférieure et en ce que ces n-l isolateurs sont disposés dans la partie des câbles située dans la zone d excitation de l'anten- ne HF. 2. Système rayonnant selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des n-l isolateurs insérés dans le câble d'alimentation d'une antenne comporte au moins un circuit résonnant série (L1-Cl, L2-C2) inséré en série dans chacun des conducteurs du câble d'alimen- tation considéré et au moins un circuit résonnant paral- lèle (L3-C3) inséré en parallèle dans le câble d'ali- mentation considéré, et en ce que ces. circuits réson- nants ont leur fréquence de résonance dans la bande des fréquences de travail de l'antenne alimentée par le cà- bie considéré. 3. Système rayonnant selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte quatre circuits ré- sonnants dont un circuit résonnant parallèle d'entrée (L3-C3), un circuit résonnant parallèle de sortie (L4- C4) et deux circuits résonnants série (L -C1, L2-C2) en série dans chacun des conducteurs du câble d'ali- - mentation considéré. 4. Système rayonnant selon la revendication 3, comportant une antenne U. HoF (2), caractérisé en ce que les circuits résonnants parallèles de l'isolateur (3) inséré dans le câble d'alimentation (4ab 4b) de cette antenne UHF, sont des bras de réactance (30,31-) de longueur,o6 A est une longueur d'onde donnée dans la gamme des longueurs.d'onde de travail de l'antenne U.H.F. 5. Système rayonnant selon la revendication 3, comportant une antenne U.H. F. (2), caractérisé en ce que les circuits résonnants série de l'isolateur (3) inséré dans le câble d'alimentation (4a, 4b) de cette antenne comportent comme éléments selfiques, trois tronçons de ligne d'impédances caractéristiques res- pectives Z1, Z2 et Z1 avec Z1 faible devant Z2, le tronçon d'impédance caractéristique Z2 étant branché en série entre les tronçons d'impédance caractéristi- que Z1 et sa.longueur (k1) étant faible devant la lon- gueur d'onde À,o est une longueur d'onde donnée dans la gamme des longueurs d'onde de travail de l'antenne U.H.F. 6. Système de rayonnement selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que les circuits résonnants série de l'isolateur (3) inséré dans le câble d'ali- mentation (4a, 4b) de l'antenne U.H.F. sont des tron- çons de ligne en circuit ouvert, insérés entre les con- ducteurs des trois tronçons de ligne d'impédances ca- ractéristiques respectives Z1, Z2, Z1. 7. Equipement radioélectrique caractérisé en ce qu'il comporte un système rayonnant selon l'une au moins des revendications précédentes.