Brevet FR2558308A1 — publié le 19850719

DISPOSITIF D'ANTENNE POUR RADIOGONIOMETRES La présente invention a trait à un dispositif d'antenne pour radiogoniomètres comportant une pluralité d'éléments d'antenne et un dispositif de commutation pour assurer la rotation de la directivité du dispositif d'antenne. Lorsqu'une antenne est disposée horizontalement au dessus du sol, l'une de ses extrémités étant mise à la terre et l'autre utilisée pour engendrer un signal de sortie de réception, l'antenne présente des caractéristiques de sensibilité suivant un diagramme en forme de cardiolde orientée dans la direction dans laquelle arrive une onde qui varie. Une telle antenne peut être utilisée pour constituer un radiogoniomètre. Cependant les radiogoniomètres conventionnels présentent un agencement complexe du fait qu'il est nécessaire de faire pivoter l'antenne de manière mécanique ou de prévoir un certain nombre d'antennes orientées dans diverses directions, et de comparer les signaux de sortie de telles antennes. Le but de la présente invention est de réaliser un dispositif d'antenne comportant une pluralité d'antennes susceptibles d'avoir une haute sensibilité sans l'aide quelconque de dispositifs mobiles mécaniquement. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'antenne pour radiogoniomètre comportant une plaque de base conductrice sensiblement reliée à la masse, une pluralité d'éléments d'antenne en forme de lobe montés sur ladite plaque de base en étant disposés d'une certaine manière entre eux et comportant des parties centrales entrecroisées et isolées l'une de l'-tref urn circuit de commutation électronique -2- destiné à mettre à la masse alternativement des extrémités des éléments d'antenne et à capter des signaux de sortie de réception provenant d' extrémités opposées des éléments d'antenne suivant une période constante, les éléments d'antenne étant commutés non en phase suivant un angle correspondant à celui formé entre lesdits éléments d'antenne, et un circuit pour combiner les signaux de sortie provenant des éléments d'antenne. Suivant une autre caractéristique, les éléments d'antenne comprennent des éléments en forme de lobe et un élément vertical disposé sensiblement de manière centrale dans lesdits éléments en forme de lobe. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de modes de réalisation du dispositif de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement en en regard des dessins annexés sur lesquels: - Fig 1 représente une vue en coupe axiale verticale d'un dispositif d'antenne selon un premier mode de réalisation; - Fig 2 est une vue en plan selon les flèches X-X du dispositif de la figure 1; - Fig 3 est une vue en coupe axiale verticale d'un dispositif suivant une variante de réalisation; Fig 4 représente le schéma électrique du circuit de commutation électronique des antennes - Fig 5 représente les formes d'ondes des tensions appliquées aux bornes du circuit représenté sur la figure 4; Fig 6 représente un circuit d'antenne formé pendant une période de temps a au cours d'un cycle de fonctionnement - Fig 7 représente le diagramme de directivité de l'antenne représentée sur la figure 6 - Fig 8 représente le diagramme global de directivité de l'antenne durant toutes les périodes a,b,c,d, au cours d'un cycle de fonctionnement - Fig 9 représente la forme d'onde d'un signal de sortie engendré par l'antenne lorsqu'une onde arrive dans la -3- direction de la flèche z; - Fig. 10 représente une vue en coupe axiale verticale d'un dispositif d'antenne selon un deuxième mode de réalisation; - Fig 11 représente le schéma fonctionnel du dispositif d'antenne de la figure 10, et - Fig 12 représente des formes d'ondes illustrant le fonctionnement du dispositif d'antenne de la figure 11. La figure 1 représente un dispositif d'antenne agencé selon un premier mode de réalisation de l'invention. Ce dispositif d'antenne comporte une plaque de base conductrice 1 formée par exemple par le fuselage d'un avion ou le pavillon d'une automobile, et une paire d'éléments d'antenne en forme de lobe 2,3 entrecroisés l'un l'autre et fixés sur la plaque de base 1 à distance l'un de l'autre. La plaque de base est suffisamment grande en comparaison avec les éléments d'antenne 2,3 et- peut être considérée comme une plaque conductrice sensiblement mise à.la terre. Le dispositif d'antenne comporte également un boitier 4 fixé sur la surface supérieure de la plaque de base 1. Les extrémités des éléments d'antenne 2,3 sont connectées par des câbles coaxiaux 5 à un circuit de commutation électronique disposé dans le boîtier 4. Les éléments d'antenne 2,3 sont recouverts d'un capotage isolant 6.- Comme représenté sur la figure 2, les éléments d'antenne 2,3 ont une largeur progressivement accrue en direction de leurs extrémités opposées, avec des parties centrales plus étroites disposées en croix. Une plaque conductrice 7 en forme de cône est disposée entre les éléments d'antenne 2,3 et le boîtier 4 et est connectée à la plaque de base 1. L'intervalle entre la plaque conductrice 7 et les éléments d'antenne 2,3 s'accroît en même temps que les largeurs des éléments d'antenne 2,3 en sorte que les impédances caractéristiques desdits éléments 2,3 demeurent sensiblement constantes independamment de l'endroit o l'on se trouve. Un signal de sortie provenant du circuit de commutation électronique dans le boîtier 4 est amené par l'intermédiaire d'un câble coaxial 8 au radiogoniomètre -4- proproment dit. Le circuit de commutation électronique reçoit un signal de commutation par l'intermédiaire d'un câble à deux conducteurs 9. La figure 3 représente un dispositif d'antenne modifié. Une plaque de base conductrice 1 comporte un trou circulaire fermé par une plaque isolante 10 à laquelle sont fixés, les éléments d'antenne en forme de lobe 2,3. Une plaque conductrice 7 comportant une proéminence centrale conique est disposée en regard des éléments d'antenne 2,3, ladite plaque 7 étant reliée par son pourtour à la plaque de base 1. De la sorte, les éléments d'antenne 2,3 ont des caractéristiques d'impédance qui demeurent sensiblement constantes, de même que les éléments d'antenne 2,3 représentés sur les figures 1 et 2. Suivant l'agencement représenté sur la figure 3, le dispositif d'antenne n'apparaît pas à la surface extérieure du fuselage d'avion ou du pavillon d'automobile. La figure 4 représente les éléments d'antenne 2,3 et le circuit de commutation électronique disposé dans le boîtier 4. Le circuit de commutation électronique comporte des circuits en pont 11,12 constitués des diodes D1 à D4 et D5 à D8, respectivement, dont les polarités sont comme représenté sur la figure, les circuits en pont 11,12 étant reliés aux extrémités des éléments d'antenne 2,3. Les signaux de sortie d'antenne provenant des jonctions entre les diodes D3,D4 et les diodes D7, D8 sont combinés à l'aide d'un additionneur 13 en un signal composite qui est transmis par le câble coaxial 8 au radiogoniomètre proprement dit, les jonctions de diode étant mises à la terre à travers des bobines de blocage haute fréquence 14,15. Les jonctions entre les diodes D1,D2 et les diodes D5,D6 sont reliées à travers des bobines de blocage haute fréquence 16,17 aux bornes 18,19 du câble à deux conducteurs 9. Ces jonctions sont également mises à la terre à travers des condensateurs de blocage et des résistances 20,21 comportant des impédances égales aux impédances caractéristiques des éléments d'antenne- 2,3. Lorsque l'on applique aux bornes 18,19, par l'intermédiaire du câble 9, des signaux de tension carrés de commande de commutation de quelques centaines d'hertz, par exemple, ces signaux étant décalés en phase de 90 l'un par rapport à l'autre comme -.5- e.p' te sur la fitjure 5 en A et B, l'angle de phase étant &9tl a l'angle d'intersection des élements d'antenne 2,3, les diodes D1,D3,D6,D8 sont rendues conductrices cependant que les autres diodes sont non conductrices pendant une période de temps a, formant ainsi le circuit représenté sur la figure 6. Dans le circuit de la figure 6, les éléments d'antenne 2,3 produisent des signaux de sortie maximum lorsque les ondes sont reçues dans les directions des flèches p,q et des signaux de sortie nuls lorsque les ondes sont reçues dans des directions opposées. Les éléments d'antenne 2,3 ont des caractéristiques de directivité suivant des diagrammes en forme de cardioide R,S, comme représenté sur la figure 7, et, par suite, un signal de sortie composite provenant de l'additionneur 13 indique une directivité suivant la cardiolde T qui est une combinaison des cardioldes R,S. Pendant une période b (figure 5), les diodes D1,D3,D5,D7 sont rendues conductrices tandis que les autres diodes sont non conductrices. Pendant cette période b, par suite, la courbe R demeure inchangée mais la courbe S est inversée verticalement, la caractéristique de directivité composite résultante étant obtenue en faisant tourner de 90 , dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, la courbe T. Au cours d'une période c, les diodes D2,D4,D5,D7 sont rendues conductrices pendant que les autres diodes sont non conductrices. La courbe R est alors inversée horizontalement, et la caractéristique de directivité. composite est obtenue en faisant pivoter de 180 la courbe T. Au cours d'une période d, la caractéristique de directivité composite est obtenue en faisant pivoter une nouvelle fois la courbe T de 90 dans le sens contraire des aiguilles d'une montre. En conséquence,les caractéristiques de directivité dans les diagrammes en forme de cardioide T, U, V, W, comme représenté sur la figure 8, sont obtenus au cours des périodes a,b,c,d de la figure 5. Lorsqu'une onde arrive dans la direction de la flèche z sur la figure 8, les signaux de sortie ont des amplitudes correspondant à 0 - t, 0 - u, 0 v, 0 - w et sont délivrés par l'additionneur 13 à travers le câble 8 en direction du radiogoniomètre proprement dit pendant les périodes a,b,c,d, respectivement, de la figure 5. -6- La figure 9 représente la forme d'onde d'un tel signal de sortie d'antenne. La direction dans laquelle l'onde arrive, comme représenté par la flèche z de la figure 8, peut être déterminée par le contrôle d'une onde en forme de marches d'escalier obtenue en démodulant le signal de sortie d'antenne haute fréquence ou en extrayant une composante de signal ayant la même fréquence que celle des tensions de commande représentées en A et B sur la figure 5 et en mesurant la phase de la composante de signal. Dans le mode de réalisation ci-dessus, les deux éléments d'antenne sont disposés de manière entrecroisée et la directivité pivote par pas de 90 . Avec un tel agencement, on peut engendrer une erreur d'octogésimale dépendant de la relation entre la longueur des éléments d'antenne et de la longueur d'onde de l'onde reçue. Quand on utilise quatre éléments d'antenne espacés angulairement d'intervalles de 450, cependant, l'erreur d'octogésimale est supprimée et il subsiste seulement une petite erreur sexagésimale en sorte que l'on peut réaliser une mesure de direction très précise dans une large plage de fréquences. Suivant un second mode de réalisation, on obtient un dispositif d'antenne susceptible d'indiquer de manière très précise la direction dans laquelle une onde est reçue, lorsque celle-ci est faible, et lorsque l'erreur de mesure est accrue du fait des composantes de bruit, ou lorsque l'onde est reçue de manière intermittente et que la fonction anti-fading du circuit récepteur n'agit pas complètement. La figure 10 est une vue en coupe verticale axiale d'un dispositif d'antenne selon ce second mode de réalisation. Ce second mode de réalisation est exactement le même que celui représenté sur la figure 1, et comporte une plaque conductrice 1 horizontale suffisamment importante, constituée par un fuselage d'avion ou un pavillon d'automobile qui est sensiblement mis à la terre et une paire d'éléments d'antenne en forme de lobe 2,3 disposés de manière entrecroisée et montés sur la plaque de base 1. Dans le second mode de réalisation, un seul élément d'antenne vertical 33 est disposé de manière centrale dans les éléments d'antenne en forme de lobe 2,3. Un ensemble de commutation électronique 34 constitué -7- de diodes ou de transistors est disposé sur la face extérieure de la plaque conductrice susmentionnée 7, par exemple. L'élément d'antenne vertical 33 et les extrémités respectives de 21, 22, et 31, 3 des lobes des éléments d'antenne 2 2' 1' 2 et 3, c'est-à-dire les quatre coins de l'antenne si celle-ci a une forme symétrique telle qu'un carré, sont reliées par un câble coaxial 5 à ladite unité 34. Un signal de sortie provenant de l'unité 34 de commutation électronique est amené au récepteur par le câble coaxial 8. L'unité 34 reçoit du récepteur un signal de commande de commutation par l'intermédiaire du câble à deux conducteurs 9. La figure 11 représente les éléments d'antenne en forme de lobe 2,3, l'élément d'antenne vertical 33, l'unité de commutation 34 et le récepteur. Un signal de sortie provenant d'un oscillateur de référence basse fréquence 39 est appliqué à un générateur de signal de commutation 40 lequel engendre un signal de commande carré destiné à commander le circuit électronique de l'unité de commutation 34 pour la mise à la terre de l'une des extrémités diagonalement opposées 31,'32 ou des extrémités 2i, 22 des éléments d'antenne 2,3 par l'intermédiaire de résistances (figure 6) ayant une impédance égale à l'impédance caractéristique des éléments d'antenne 2,3 et pour amener un signal de sortie provenant des autres extrémités ainsi qu'un signal de sortie provenant de l'élément d'antenne vertical 33 au récepteur par l'intermédiaire des câbles 8,9. Un tel mode opératoire équivaut à une rotation intermittente d'une paire de contacts mobiles dans un commutateur rotatif 34, dans une direction, par pas de 90 . L'unité de commutation exécute une révolution à chaque cycle du signal de sortie provenant de l'oscillateur 39. Lorsque les extrémités de captage des éléments d'antenne en forme de lobe 2,3 sont commutées par l'unité de commutation 34, la courbe caractéristique de directivité varie de la même manière que représenté sur la figure 8. Plus particulièrement, quand un signal de sortie est capté en provenance de l'extrémité 3 on obtient une directivité ayant la forme de la cardiolde T. En commutant les extrémités des éléments d'antenne 2,3 avec l'unité 34, la courbe de directivité passe de T à U, à V, à W. -8- Si l'onde est reçue dans la direction de la flèche z, alors le signal de sortie provenant des éléments d'antenne 2,3 passe de 0 - t à 0 - u, à 0 -.v, à 0 - w. La figure 12 montre en A la forme d'onde d'un tel signal de sortie provenant des éléments d'antenne en forme de lobe 2,3. Puisque l'élément d'antenne vertical 33 n'est pas directionnel, son signal de sortie a une amplitude constante, comme représenté en B sur la figure 12. Comme représenté sur la figure 11, le signal de sortie provenant des éléments d'antenne en forme de lobe 2,3 est directement appliqué à un additionneur 42 et le signal de sortie provenant de l'élément d'antenne 33 est appliqué à l'additionneur 42 par l'intermédiaire d'un régulateur de phase 43. En régulant la phase du signal de sortie provenant de l'élément d'antenne vertical 33 en sorte que les signaux de sortie provenant de l'élément d'antenne vertical 33 et les éléments d'antenne en forme de lobe 2,3 soient en phase l'un l'autre, la forme d'onde d'un signal de sortie provenant de l'additionneur 42 a sa composante haute fréquence accrue en amplitude, comme représenté en C sur la figure 12. Le signal de sortie provenant de l'additionneur 42 est amplifié par un amplificateur 44 et le signal de sortie amplifié est appliqué à un détecteur 45 qui engendre un signal basse fréquence représenté en D sur la figure 12. Le signal basse fréquence est appliqué à un filtre passe- bande 46 qui en extrait une onde sinusoïdale ayant la même fréquence que celle du signal de sortie provenant de l'oscillateur 39, comme représenté en E sur la figure 12. L'onde sinusoïdale et le signal de sortie provenant de l'oscillateur 39 sont appliqués à un comparateur de phase 49' par l'intermédiaire d'un amplificateur basse fréquence 47. L'onde sinusoïdale, représentée en E sur la figure 12, correspond en phase à l!onde en marches d'escalier représentée en A sur la figure 12. Puisque la forme d'onde de l'onde en marches d'escalier est déterminée par la direction dans laquelle l'onde est reçue, comme indiqué par la flèche z sur la figure 8, cette direction peut être reconnue en appliquant un signal de sortie provenant du comparateur de phase 49 à l'indicateur de direction 50. En contrôlant le régulateur de phase 43 en sorte que les signaux de sortie provenant de l'élément d'antenne -9- vertical 33 et des éléments d'antenne en forme de lobe 2,3 soient décalés en phase entre eux de 90 , la phase du signal de sortie provenant de l'additionneur 42 varie avec l'amplitude du signal de sortie provenant des éléments d'antenne en forme de lobe 2, 3, comme représenté en A sur la figure 12. En amplifiant le signal de sortie provenant de l'additionneur 42 avec l'amplificateur 44, en limitant le signal de sortie amplifié à une certaine amplitude, à l'aide du limiteur d'amplitude 51, et en appliquant le signal de sortie limité à un discriminateur de fréquence 52, on génère une onde impulsionnelle, comme représenté en F sur la figure 12. En conséquence, la phase du signal de sortie provenant de l'additionneur 42 varie en fonction des variations du signal de sortie provenant des éléments d'antenne en forme de lobe 2,3 et la fréquence du signal s'accroît ou diminue avec les changements de phase. Le signal impulsionnel F de la figure 12 est engendré à partir du discriminateur de fréquence 52 et le filtre passe-bande 46 extrait une onde sinusoïdale ayant la même fréquence que celle du signal de sortie provenant de l'oscillateur 39. Puisque la phase de l'onde sinusoïdale est déterminée par la forme d'onde du signal impulsionnel, c'est-à-dire la direction dans laquelle l'onde est reçue, cette direction peut être connue en amplifiant le signal de sortie provenant du filtre passe-bande 46 à l'aide de l'amplificateur 47, en appliquant le signal de sortie amplifié au comparateur de phase 49, et en affichant sur l'indicateur de direction 50 le signal de sortie provenant du comparateur de phase 49. Avec le dispositif d'antenne du second mode de réalisation, la directivité des éléments d'antenne en forme de lobe à symétrie ponctuelle est pivotée à l'aide de l'unité de commutation électronique, l'élément d'antenne non directionnel étant disposé sensiblement de manière centrale dans lesdits éléments en forme de lobe, et les signaux de sortie provenant des éléments en forme de lobe et de l'élément vertical sont combinés lorsqu'ils sont en phase ou lorsqu'ils ont un décalage de phase entre eux de 90 . Lorsque les signaux de sortie sont combinés en phase, l'amplitude de la composante haute fréquence est accrue, et, par suite, les' influences des -10composantes de bruit haute fréquence sont supprimées lorsque l'onde reçue est faible. En conséquence, la direction dans laquelle une onde faible est reçue peut être détectée de manière précise. Lorsqu'un signal d'onde modulé en phase ou en fréquence est obtenu en combinant les signaux de sortie provenant des éléments d'antenne en forme de lobe et de l'élément d'antenne vertical lorsqu'ils ne sont pas en phase, on peut obtenir une mesure de direction précise même dans le cas o le circuit de commande automatique de gain de l'amplificateur ne fonctionne pas correctement du fait qu'il reçoit des ondes intermittentes. Par ailleurs, lorsque l'antenne du radiogoniomètre est installée en association avec une antenne d'émetteur-récepteur de communication sur le pavillon d'une automobile et que la recherche de la direction est effectuée pour la même plage de fréquence,l'antenne de l'émetteurrécepteur provoque de sérieuses interférences lors de la recherche de direction. Pour éviter ces interférences, il est particulièrement recommandé que l'antenne verticale de ce système soit utilisée comme antenne pour l'émetteur-récepteur. Conformément à la présente invention, le dispositif d'antenne comporte une pluralité d'éléments d'antenne et un circuit de commutation électronique pour faire pivoter la directivité du dispositif d'antenne. Ce dispositif d'antenne est capable de mesurer la direction dans laquelle une onde est reçue sans utiliser aucun élément rotatif mécanique ni commutateur mécanique. Le dispositif d'antenne est, par suite, de construction simple, fiable et sa maintenance est particulièrement aisée. Puisque les signaux de sortie provenant de la pluralité des dispositifs d'antenne sont combinés, l'efficacité de la réception d'onde est accrue et, par suite, la précision de la mesure est également accrue. Avec la combinaison, dans le second mode de réalisation, des éléments d'antenne en forme de lobe et de l'élément d'antenne vertical, le dispositif d'antenne peut mesurer de manière précise la direction dans laquelle une onde faible ou intermittente est reçue. -li- Enfin, l'invention n'est évidemment pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes. JOJg -12- R E V E N D I C A T I O N S -:-.==:=.-:=:=:=:=:=:=.:=:= 1. Dispositif d'antenne pour radiogoniomètre, caractérisé en ce qu'il comprend: a) une plaque de base conductrice (1) sensiblement mise à la terre; b) une pluralité d'éléments d'antenne en forme de lobe (2,3-) montés sur ladite plaque de base, dans une certaine disposition mutuelle et avec des parties centrales entrecroisées isolées l'une de l'autre, c) un circuit de commutation électronique (34) pour mettre à la terre alternativement les extrémités desdits éléments d'antenne et capter les signaux de réception provenant des extrémités opposées desdits éléments, suivant une période constante, lesdits éléments d'antenne étant connectés non en phase selon un angle correspondant à l'angle formé par les parties en croix desdits éléments d'antenne, et d) un circuit (42) pour combiner les signaux de sortie provenant desdits éléments d'antenne. 2. Dispositif d'antenne suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque conductrice (7) montée sur ladite plaque de base(l), en ce que lesdits éléments d'antenne en forme de lobe (2,3) ont des largeurs qui s'accroissent progressivement en direction de leurs extrémités et sont à une distance de ladite. plaque conductrice qui s'accroît progressivement en direction desdites extrémités des éléments d'antenne, en sorte que ces éléments d'antenne ont des impédances caractéristiques sensiblement uniformes, lesdits éléments d'antenne (2,3) étant mis à la terre par l'intermédiaire de résistances ayant des valeurs sensiblement égales aux impédances caractéristiques desdits éléments d'antenne. 3. Dispositif d'antenne suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: a) un élément d'antenne vertical (33) disposé sensiblement de manière centrale dans lesdits éléments d'antenne en forme de lobe (2,3), et -13- b) un circuit (42,43) pour combiner un signal de sortie provenant desdits éléments d'antenne en forme de lobe et un signal de sortie provenant dudit élément d'antenne vertical suivant une certaine relation de phase. 4. Dispositif d'antenne suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit (42,43) combine des signaux de sortie provenant des éléments d'antenne en forme de lobe (2,3) et de l'élément d'antenne vertical (33) en phase, en vue de générer un signal de sortie modulé en amplitude. 5. Dispositif d'antenne suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit (42,43) combine les signaux de sortie provenant des éléments d'antenne en forme de lobe (2,3) et de l'élément d'antenne vertical (33) non en phase afin de générer un signal de sortie modulé en phase ou en fréquence.