Brevet FR2485276A1 — publié le 19811224

- i - 2485276 "ANTENNE ACTIVE" L'invention concerne une antenne active comportant d'une part un élément dont la longueur est petite comparativement à la longueur d'onde apparte- nant à la fréquence de fonctionnement, et d'autre part un amplificateur raccordé audit élément. Une telle antenne est connue entre autres de l'article "'Die transistorierte Empfangsantenne mit kapazitiv hochohmigem Verstarker als optemale L5sung fur den Empfang niedriger Frequenzen" de la main de H. Lindenmeier et paru dans la publication tNTZ", Volume 27, (1974), No. 11, pages 411 à 418; grâce à ses faibles dimensions, à sa grande largeur de bande et à la possibilité de pouvoir adapter de manière simple l'impédance de sortie à l'impédance carac- téristique du câble conduisant vers un récepteur, ladite antenne connue est utilisée dans des radio- récepteurs mobiles, parmi lesquels on compte les radio- récepteurs de véhicule, ainsi que dans des ensembles d'antennes ("antenna arrays"). En conséquence de la présence d'un amplifi- cateur, un certain bruit et une certaine distorsion sont inévitables, de sorte que lors de l'étude de ce genre d'antennes, on doit s'efforcer de réaliser un rapport optimal signal/bruit ainsi qu'une interférence minimale. En outre, surtout lors de l'emploi desdites antennes dans'des ensembles d'antennes, la fonction de transmission de l'antenne doit être définie de façon précise et de préférence être indépendante de la fréquence, tandis que l'influence de perturbations atmosphériques doit être supprimée dans la mesure du possible. De la lecture dudit article, il découle que l'ohmicité de l'impédance d'entrée de l'amplifica- teur de l'antenne active doit être grande. Or, l'invention a pour but de réaliser une - 2 _ 2485276 antenne active qui grâce à une nouvelle conception respecte dans une grande mesure les exigences en question. Conformément à l'invention, l'antenne active précisée dans le préambule est remarquable en ceque l'entrée de commande du premier élément actif de l'amplificateur est virtuellement à la masse. Cette façon de faire a l'avantage que la tension d'entrée est pratiquement égale à zéro ce qui permet d'éviter la distorsion non linéaire, que des mesures de protection contre des perturbations atmos- phériques, par exemple des décharges statiques, sont sans influence sur la fonction de transmission de l'antenne, et que-l'influence de l'encrassement para- site de l'antenne, par exemple en conséquence de poussière et de pluie, est réduite notablement. Suivant un mode de réalisation préféren- tiel d'une antenne active conforme à l'invention, cette antenne comporte un amplificateur à coefficient d'ampli- fication élevé, cet amplificateur comportant une entrée de signal, une entrée inverseuse de signal et une sortie, ladite entrée de signal étant raccordée à un point de potentiel commun tandis que l'entrée inver- seuse de signal est couplée à l'élément d'antenne, l'amplificateur étant rétrocouplé à l'aide d'une branche de réaction. De plus, l'étage d'entrée de l'amplifica- teur est réalisable sous forme d'amplificateur de différence symétrique. Cette façon de faire fournit l'avantage que l'on obtient de façon très simple un amplificateur à entrée très peu ohmique. Suivant une autre caractéristique de l'inven- tion, la branche de réaction comporte un premier conden- sateur monté entre la sortie de l'amplificateur et l'entrée inverseuse de signal de l'amplificateur. = de la fréquence. La description suivante9 en regard des dessins annexés, l.. tout donné à titre d'exemple, fera bien comprend:ra comment i:invention peu- être réalisée. La figwr 1 illustre un premier exemple de réalisation d z.. antenne active conforme à 10. l'invention. La figure 2 illustre un autre exemple de réaJ.lisation d'une -.nbnne active conforme d linventiono La 3 o-ni3 nontre une extension de l'anten- ne active réponda2:: &; la figure 1. La fii:e P4 illustre une extension de l'antenne répondart a la figure 2 Sur cer figures7 les parties correspondantes sont indiquées par les mêmes référenceso L'ante-se active représentée par la figure 1 comporte -dune part un éleément d'antenne 1 dont la longueur E-- inférieure a la longueur d'onde appartenant à la f??quence de fonctionnement9 et d'autre part un cicut d'amplification 2 raccordé audit élément ? et imuni d'une entrée 3 et d'une sortie -4'sur laquelle il est possible de brancher une charge 50 Lbrsquo sa longueur 1 est de loin inférieure à la longueur d'onJIe appartenant à la fréquence de fonctionnement, un. telle antenne convient par excel- lence pour être utilisée dans les radiorécepteurs mobiles et dans des ensembles d'antenneso Puisque ces antennes comportent un amplificateur, des composantes de bruit et de distorsion en provenance de l'amplificateur sont inévitables, ces composantes devant être ajoutées au signal capté, C'est pourquoi la configuration doit être tele qu'elle supprime le mieux 4 - 2485276 possible ces signaux indésirables. Une telle antenne active est munie de diodes 5 et 6 qui doivent protéger l'entrée de circuit d'amplification contre des tensions élevées, par exemple en provenance de décharges statiques. Ces diodes qui limitent la fluctuation de tension d'entrée entre le potentiel de masse et le potentiel d'alimentation ont des capacités parasites qui atténuent le signal en provenance de l'antenneo De plus, le comportement non linéaire des diodes contribue à la distorsion de signal à laquelle donne lieu l'antenne active. Egale- ment l'encrassement de l'antenne par des poussières ou de l'humidité donne lieu à la formation d'impédances parasites qui dégradent la qualité de la caracté- ristique de transmission de l'antenne. Dans le, but de réduire notablement l'influenice des effets cités cidessus, le circuit d'amplification 2 comporte, dans cet exemple de réalisation, un amplificateur 8 à coefficient d'amplification élevé, tandis que l'entrée de signal 9 de l'amplificateur est raccordée à un point de potentiel constant, ce point étant la masse dans l'exemple envisagé. Par ailleurs, l'amplificateur est muni d'une branche de réaction qui dans cet exemple.de réalisation est formée par une impédance 12 branchée entre la sortie 11 et l'entrée inverseuse de signal 10 de l'amplifi- cateur 8. A remarquer qu'il est possible de réaliser l'étage d'entrée de l'amplificateur 8 comme un amplificateur de différence symétrique. En conséquence du fait que le coefficient d'amplification de l'amplificateur 8 est très élevé et que la tension de sortie est rêtrocouplée vers l'entrée inverseuse de signal à travers l'impédance de réaction 12, la tension de l'entrée inverseuse de signal 10 est pratiquement égale à la tension de l'entrée - 2485276 de signal 9, et donc pratiquement égale à la tension que porte le point de potentiel commun. Ceci signifie que virtuellement, l'entrée inverseuse de signal est à la masse. A remarquer ici que l'entrée inverseuse de signal 10 forme l'entrée de commande du premier élément actif du circuit d'amplification 2. Par la très faible différence de tension entre l'entrée de signal 9 et l'entrée 10, l'impédance d'entrée du circuit d'amplification 2 est très faible. En conséquence du fait que virtuellement l'entrée inverseuse de signal est à la masse, il n'existe pratiquement pas de différence de tension entre les électrodes des diodes de protection 6 et 7, et l'influence de celles-ci sur la caractéristique de transmission de l'antenne est éliminée. La même chose est valable pour l'influence de l'encrassement de l'antenne en conséquence d'humidité et de poussière Egalement la distorsion non linéaire de l'amplificateur est réduite notablement en conséquence des très faibles variations de la tension d'entrée. Une antenne dont la longueur est beaucoup plus petite que la longueur d'onde peut être repré- sentée par une source de tension Ua branchée en serie avec une capacité Ca. Ceci montre que la tension a ouverte produite par l'élément d'antenne est indépen- dante de la fréquence. Pour réaliser à l'égard de l'antenne active une caractéristique de transmission qui est indépen- dante de la fréquence, il est nécessaire de choisir, en guise d'impédance de réaction 12, une capacité (16)o De façon simple, on peut démontrer que dans ce cas la fonction de transmission est la suivante: Ub/Ua = -Ca/C16 (1) - 6 - 2485276 la référence Ub représentant la tension entre les extrémités de la-charge 5. Lorsque guise d'impédance de réaction 12 l'on utilise un condensateur C16 à capacité variable, il découle de ladite formule (1) que l'amplification varie linéairement avec la variation de la capacité du condensateur de réaction C16' ce qui de manière simple permet de régler la tension de sortie désirée pour définir des conditions de fonctionnement du récep- teur couplé à l'antenne active, ce récepteur étant par exemple un radiorécepteur de véhicule. L'antenne active illustrée comme exemple sur la figure 2 comporte, comme partie active du circuit d'amplification 2, un amplificateur opérationnel 8 dont l'entrée de signal 9 est à nouveau à la masse. La branche de réaction toutefois est formée par un premier trsformateur 13 dont un premier enroulement 14 est branché entre la sortie 4 de l'amplificateur et la masse, et dont un deuxième enroulement 15 est bran- ché entre l'élément d'antenne et-l'entrée inverseuse de signal 10 de l'amplificateur 8. Dans le cas o le rapport entre le nombre de spires du premier enroule-. ment 14 et le nombre de spires du deuxième enroule- ment 15 est égal à n/1, on obtient, comme fonction de transmission de l'antenne en présence d'un coeffi- cient d'amplification très élevé de l'amplificateur 8, la formule suivante: Ub/Ua=n (2) de sorte que la fonction de transmission de cette configuration d'antennejégalement>est définie exactement et est indépendante de la fréquence. Etant donné que l'entrée inverseuse de signal est virtuellement à la masse, on a éliminé les influences des capacités parasites 22, par exemple 7 -'if rd: celles desdiodes de protection raccordées à l'entrée inverseuse de signal 10, la capacité de Miller du premie,- élément actif: de l9amplificateur 8 ainsi que la capacité de câblage à lVendroit de ladite entrée 100 Il ne subsiste que;. capazité de câblage parasite 23. Pour:; 'ier d auze,dàaptation opti.mnale de l'antenne active a _a charge 59 cele tci étant formée par exemple par lt? pgdance caract ristique du câble et par l2impédance,]"ntre d&un -réceptCeur il est possible de ralisGr dfune autre façons la réaction de lamplificateur '6 A ce sujstg la figure 3 illustre une réali- sation suivant laq-u.le en plus de la contrerc-action réalisée à l'aide;uai condensateur 16 et prêlev e en parallèle de la ocrtie comme ce!a a djâ. été décrit en référenc': - la figure 19 on a réalisé aussi une contreréactiondk l'aide d'un deuxiême transforma- teur 18 et d'un der;.ml-îe condensateur 179 prélevée en seérie avec la s ortie0 Dans ce cas, un premier enroulement 19 du e7i-me transformateur 18 est branché entre la s UXe f de l'amplificateur 8 et la charge 5, ledit en5oulment tant shunté par une résistance 20 dont la -valeur ohmique est petite compa- rativernent à celle de l'impedance de charge 5o L monta= ge en sere dx de:::e co-densalteur 17 et doun deuxezème enreulenment 21 du '-s' ater est brenche entre le point de potentiel sonux (masse) et l'entrée in.ver- seuse de signal 10 Ce l'amplificateur 8o En partant d'un rapport m/1 enrte le nombre de spires du premier enroulement 19 et le nombre de spires du deuxième enroulement 21, on pe8- démontrer qu'en présence d'un trbs grand coefficient d'amplification de l'amplifi- cateur 8, la tension Ub entre les extrémités de la charge 5 répond à l!expression: 2-6 - Ub/Ua = -Ca [(m 20 C17). (1 + Z2)c16 (3) ? + et que l'impédance de sortie Z de l'amplificateur 2 o est égale à: Zo = 2o (1 + mo17/c16) (4 En supposant que l'impédance de charge Z5 = Z0 et que m 2R | 17- alors que R20 + Z |-1 l'expression (3) se simplifie de façon que l'on obtient /U = - Ca /2.0C16 (5) eomme le montre cette expression (5), la caractéristique de transmission de l'antenne active représentée sur la figure 3 est bien d4finie et indépendante de la fréquence. Par ailleurs, l'expression (4) montre que par le choix adéquat de la valeur ohmique de la r6sis- tance 20, on peut obtenir de façon très simple une transmission de puissance optimale sans grande perte de puissance de signal. L'exemple de réalisation illustré sur la figure 4 montre une réactionselon laquelle, en plus de la contreréaction prIlev4e en parallèle de la sortie comme le montre la figure 2, il est élaboré une contre-réaction supplémentaire en série avec la sortie de la même façon que sur la figure 3. Comparativement à la contre-réaction supplé- mentaire avec ladite résistance sur la figure 3, la différence est que le deuxième enroulement 21 du deuxième transformateur 18 est, en série avec le deuxième enroulement 15 du premier transformateur 13, branché entre l'élément d'antenne 1 et l'entrée inverseuse de signal 10 de l'amplificateur 8. A l'égard de cette antenne active, on obtient la formule: 9 _ 2485276 Ub/ua = Z5/ (mR20+Z5/n) (6) alors que l'impédance de sortie Z de l'amplificateur 2 répond à la formule: Z = m.noR20 (7) o 20 Lorsque Z5 = Zo, la formule (6) se simplifie et devient: %/Ua = n/2 (8) Cette formule (8) démontre que la caracté- ristique de transmission de l'antenne active répondant à la figure 4 est bien définie et est indépendante de la fréquence, et que l'impédance de sortie de l'amplificateur 2 peut, par le choix adéquat de la valeur ohmique de la résistance 20 et/ou du rapport de bobinage des spires des enroulements du deuxième transformateur 18, être réglée de façon simple pour l'obtention d'une transmission optimale de la puissance. L'antenne que montre la figure 1 est réali- sable entièrement sous forme intégrée, et convient de ce fait par excellence pour des radiorécepteurs de véhicule et des ensembles d'antennes. Pour une longueur de 0,5 mètre de l'élément d'antenne, on a constaté que dans une bande de fré- quences limitée par 5 kHz et 30 MHz, les antennes actives décrites cidessus avaient une caractéristique de transmission qui est plane à 0,5 dB près, l'antenne ne provoquant en outre qu'une distorsion de signal extrêmement faible, ce qui est expliqué ci-après en référence à la figure 5. Dans le graphique que constitue cette figure 5, l'allure de la puissance exprimée en dBm, et fournie par l'antenne active à une charge à valeur ohmique de 50 Ohm, est illustrée en fonction de la racine carrée de la valeur moyenne carée de l'intensité de champ reçue ERMs,exprimée en V/m. La ligne droite - éo - 2485276 22 montre la relation du'signal désiré, les lignes droites 23A et 23B montrent la distorsion de deuxième ordre qui se produit à cette occasion (et indiquée par e les valeurs enregard de 2 sur la figure 5), tandis que les lignes droites 24A et 24B montrent la distorsion de troisième-ordre qui se produit à cette occasion (et indiquée par les valeurs enregard de3 sur la figure 5). Les indices A et B indiquent que ces lignes appar- tiennent à l'antenne active que montrent les figures 1 et 2. Lt limite d'excitation de l'antenne active est indiquée par le-trait 25 sur la figure 5. Comme critère de qualité, le graphique en question permet de se rendre compte que le point d'interception de distorsion de deuxième ordre est situé au-delà de + 70 dBm et que le point d'interception de distorsion de troisième ordre est situé au-delà de + 50 dBm. REVENDICATIONS: 1. Antenne active comportant d'une part un élément dont la longueur est petite comparativement à la longueur d'onde appartenant à la fréquence de fonctionnement, et d'autre part un amplificateur raccordé audit élément, caractérisée en ce que l'entrée de commande du premier élément actif de l'amplificateur est virtuellement à la masse. 2. Antenne active selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'antenne comporte un ampli- ficateur à coefficient d'amplification élevé, cet amplificateur comportant une entrée de signal, une entrée inverseuse de signal et une sortie, ladite entrée de signal -étant raccordée à un point de poten- tiel commun tandis que I'entrée inverseuse de signal est couplée à l'élément d'antenne, l'amplificateur étant rétrocouplé t -l'aide d'une branche de réaction. 3. Antenne active selon la revendication2, caractérisée en ce que la branche de réaction comporte un premier condensateur monté entre la sortie de l'amplificateur et l'entrée inverseuse de signal de l'amplificateur. 4. Antenne active selon la revendication 2, caractérisée en ce que la branche de réaction comporte un premier transformateur dont un premier enroulement est branché entre la sortie de l'amplificateur et le point de potentiel commun, et dont un deuxième enroulement est branché entre l'élément d'antenne et l'entrée inverseuse de signal de l'amplificateur. 5. Antenne active selon la revendication 39 caractérisée en ce que la branche de réaction comporte un deuxième transformateur dont un premier enroule- ment est branché entre la sortie de l'amplificateur et la charge, et dont un deuxième enroulement est branché entre l'entrée inverseuse de signal et le - 12- 2485276 point de potentiel commun à travers un deuxième condensateur, alors qu'une première résistance shunte le premier enroulement. 6. Antenne active selon la revendication 4, caractérisée en ce que la branche de réaction comporte un troisième transformateur dont un premier enroule- ment est branché entre la sortie de l'amplificateur et la charge et dont un deuxième enroulement est branché en série avec le deuxième enroulement du premier transformateur, alors qu'une résistance shunte le premier enroulement.