Brevet FR2576152A1 — publié le 19860718

La présente invention concerne une antenne VHF omnidirectionnelle à accès multiples. Cette antenne trouve notamment son application pour les réseaux de radio-communication tels que la radio-téléphonie mobile, qui nécessitent des stations relais à plusieurs-canaux fonctionnant en duplex ou en semi-duplex émission-réception. Ces stations doivent être pourvues d'un système d'antennes assurant le rayonnement de la puissance émise et la réception pour plusieurs canaux dans la bande de fréquences utilisée, qui est généralerrwt une bande vHF selatiument tg9tpeinte telle que la bande 68-69 MHz ou 72-73 MHz (ces bandes de fréquences n'étant données qu'd titre indicatif, sans caractère restrictif concernant la portée de l'invention). Les impératifs de ce système d'antennes sont les suivants : - diagramme de rayonnement en azimut le plus omnidirectionnel possible afin de conserver des performances identiques dans toutes les directions possibles des mobiles - rendement des aériens élevé : toute introduction d'élément à pertes impose en effet une augmentation de la puissance émise tant au niveau des stations relais que des mobiles - découplage entre les voies : lorsqu'une partie de la puissance émise par un émetteur est réinjectée dans les autres voies, les non-linéarités des amplificateurs sont sources d'intermodulation des émetteurs et de perte de sensibilité des récepteurs ; - découplage entre les récepteurs et les émetteurs, pour des raisons identiques - dimensions restreintes en vue d'une installation sur des mâts existants. Plusieurs solutions ont te proposées par la technique antérieure, qui ne sont cependant que des solutions de compromis entre ces différents impérat ifs. Dans une première configuration, illustrée figure 1, il est prévu autant d'antennes dipôles que de canaux. Les découplages entre canaux sont obtenus par la position des antennes dans l'espace (espacement de l'ordre d'une longueur d'ondeX, le découplage entre émetteur et récepteur étant réalisé au moyen d'un duplexeur DPX qui peut entre par exemple un filtre à éléments réactifs ou un circulateur suivi de filtres complémentaires.Cette solution présente l'inconvénient de nécessiter des antennes séparées par une distance importante, et impose donc un mât de grandes dimensions pour des fré quences telles que celles de la bande VHF: dans Cette bande, la ligueur d'onde est de l'ordre de 4 m, il faut un escaonEnt vertical d e cet ordre pour assurer un bon découplage entre canaux, soit une hauteur totale H de l'ordre de 48 m pour une station relais à 12 voies duplex. Dans une seconde configuration de la technique antérieure, illustrée figure 2, la série d'antennes est remplacée par une antenne dipôle unique D, les différentes voies E1-R1,E2-R2, E3-R3, .... étant regroupées deux à deux au moyen de coupleursc. La perte de puissance introduite par chaque coupleur est de 3 dB, car l'asynchronisme des émissions conduit à employer des composants de couplage à pertes (coupleurs3 dB avec charges ou tés adaptés). En tenant compte des pertes technologiques de l'ordre de 0,2 dB par composant, l'atténuation totale atteint déjà 6,4 dB dans le cas du schéma de la figure 2, où l'on a seulement regroupé trois voies.Le rendement de chaque duplexeur étant de l'ordre de 80 %, si l'on souhaite une puissance HF rayonnée de l'ordre de 20 W par canal, il est n6- cessaire de prévoir une puissance d'émission par voie de 1O w, soit un rendement de l'ordre de 17 %. On arrive ainsi A une dissipation de puissance importante, croissant très rapidement avec le nombre de canaux, et qui peut être très gênante en particulier si le réseau doit entre secouru par batteries (ce qui est généralement le cas pour un réseau radio-téléphonique). Un autre inconvénient de ce système résulte de la présence de produits d'intermodulation, qui tombent dans les bandes de réception et ne peuvent donc pas être filtrés par les récepteurs de la station ; il en résulte, outre une perte de sensibilité, l'apparition d'effets non linéaires susceptibles de perturber notablement la reception des informations. Dans une troisième configuration de la technique antérieure, illustrée figure 3, la connexion à l'antenne unique est réalisée au moyen d'une série de filtres passebande . Cette solution ne peut cependant être utilisée que dans le cas où la bande de fréquences allouée est étendue ; dans le cas contraire, les niveaux de réjection en dehors des bandes passantes conduiraient à une grande complexité de réalisation et de mise au point, pour des perfcrmances médiocres. L'un des buts de l'invention est de s'affranchir de ces solutions de compromis, en proposant un système d'antenne répondant à tous les impératifs mentionnés plus haut, tout en étant d'une réalisation simple évitant de mettre en oeuvre des technologies complexes. A cet effet, l'antenne de l'invention comporte trois accès reliés reectivtnt à trois circuits d'émission-réception, et comprend un réseau circulaire de quatre dipôles verticaux régulièrment répartis à la périphérie d'un cercle de diamètre inférieur à une demi-longueur d'onde, et un circuit de couplage de ces dipôles aux trois accès selon la matrice des phases d'alimentation suivante Tableau I dipôle 1 dipôle 2 . dipôle 3 . dipôle 4 accès 1 : 00 : 0 : 0 : 0 accès 2 : 0 : + 900 : 1 80 : - 909 : accès 3 : - 900 : 1800 + 90 oo Les-dipôles 1 et 3, ou 2 et 4 respectivement, étant les dipôles diamétralement opposés du réseau. Le terme dipôle n'est pas restrictif au cas d'un élément rayonnant demi-onde, mais désigne, ici et dans la suite, tout type d'antenne élémentaire à rayonnement omnidirectionnelle, par exemple trombone, dipôle à alimentation coaxiale, doublet, dipôle asymétrique. Par "circuit d'émission-réception",on entendra indifféremment soit une sortie d'émetteur, soit une entrée de récepteur, soit un circuit d'émission et réception simultanées (comportant donc un étage duplexeur) ou alternées (fonctionnant en semi-duplex). Comme on le constatera en effet par la suite, les "accès" du circuit de couplage peuvent être indifferemment considérés comme des entrées d'antenne (pour l'émission) ou des sorties d'antienne (pour la réception) et ce, sans aucune modification de structure. Dans un mode de réalisation préférentiel, le circuit de couplage comporte un premier étage formé de deux jonctions hybrides 0-180 chacune-couplant ensemble une paire de dipôles diamétralement opposes du réseau, et un second étage, formé d'une jonction 0-900 et d'une jonction hybride, couplant les jonctions du premier étage aux trois accès de l'antenne. L'invention concerne également un système d'antenne pour un réseau de communication à canaux multiples, comprenant N (N 2 réseaux d'antennes du type précité. Dans une première configuration, chaque accès est relié à un circuit duplexeur, ou à un circuit d'alternat, pour assurer l'émission et la réception d'un même canal de communication sur cet accès. Dans une autre configuration, l'un des accès est relié à un circuit commun de réception pourvu d'un étage séparateur des différents canaux de communication, les autres accès étant reliés aux circuits d'émission respectifs de chacun des canaux de communication. En variante, les accès sont tous reliés aux circuits d'émission respectifs de chacun des canaux de communication, et il est prévu une antenne additionnelle, distincte, reliée à un circuit commun de réception pourvu d'un étage séparateur des différents canaux de communication. D'autres caractéristiques et avantages de 1 'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessines annexés, sur lesquels Les figures 1 à 3, précitées, illustrent des configurations de la technique antérieure, la figure 4 montre schématiquement la structure de l'antenne selon l'invention, notamment son circuit de couplage, la figure 5 illustre la disposition sur le mât des dipôles utilisés dans le cas de la figure 4, la figure 6 est un diagramme comparatif mon trant les performances d'omnidirectionnalité en azimut de l'antenne de l'invention, par rapport à un fouet vertical quart d'onde, la figure 7 est une variante du mode de réalisation de la figure 4, utilisant une antenne additionnelle pour la réception, les figures 8a et 8b montrent respectivement la disposition sur le mât des antennes et le schéma général du système, pour une station regroupant deux antennes selon l'invention, les figures 9a et 9b, 10a et 1Ob, sont homologues des figures 8a et 8b pour des stations à trois et quatre antennes, respectivement. En référence aux figures 4 et 5, l'antenne selon l'invention comporte quatre dipôles Dl, D2, D3, D4 reliés par un coupleur à accès multiples CAM à trois accès A1, A2, A3. Les quatre dipôles Dl, D2, D3, D4 sont des dipôles demi-onde , disposés (figure 5) verticalement en un réseau circulaire RC tel que les dipôles soient régulièrement répartis à la périphérie d'un cercle de diamètre # inférieur à une demi-longueur d'onde, de préférence de l'ordre de 0,6 à 0,8 ?k/2. Le oeupleur à accès multiples CL;coporte quatre jonc tions hybrides J1,J2,J3,J4 : les jonctions J1, J2 couplent deux à deux les dipôles opposés du réseau Dl, D3 et D2, D4, respectivement. Ces coupleurs sont des coupleurs 0-1800 connectés comme indiqué sur la figure. Ils forment un premier étage de couplage alimentant un second étage formé des jonctions J3, J4 selon le schéma de connexion de la figure. La jonction J3 est un coupleur 0-180 de même type que J7 et J2 ; la jonction J4 est un coupleur 0-90 . La charge X est simplement destinée à assurer un équilibrage des impédances aux différentes bornes du coupleur J3. Les coupleurs J1, J2, J3 sont par exemple des jonctions hybrides du type STAREC 1354, et le coupleur J4 du type STAREC 1338. Les trois accès Al, A2, A3 aux bornes du coupleur CAM sont par exemple reliés chacun à un duplexeur DPX réalisant la séparation des ondes émises 4E1, E2 ou E3} et reçues (R1, R2 ou R3). En variante, on peut prévoir un simple alternat pour une communication en semi-duplex. Il apparaît que, avec le schéma de connexion indiqué figure 4, la puissance de chacun des trois accès se répartit uniformément dans les quatre dipôles avec les phares selon le tableau I ci-dessous dipôle 1 dipôle 2 . dipôle 3 :dipôle 4 accès 1 : 0 0 : 0 : 0 : accès 2 : 0 : + 900 : 1800 - 900 : accès 3 e - 909 : 1800 + 900 09 La symétrie cylindrique du réseau, ses dimensions et la régularité des phases d'alimentation permettent d'obtenir des diagrammes de bonne omni- directionnalité : la figure 6 illustre un relevé du diagramme de rayonnement en azimut pour un angle de site nul, relevé pour l'un des trois canaux (courbe A), par rapport au diagramme obtenu pour un simple fouet vertical quart d'onde placé au-dessus d'un plan réflecteur métallique (diagramme B). On constate ainsi que le diagramme de rayonnement est rond à + 0,25 dB.Par ailleurs, il apparaît que le gain de l'antenne de l'invention reste toujours égal, à + 1,5 dB près, au gain d'un dipôle unique. Le diagramme de rayonnement en site reste également proche de celui d'une antenne unique, quoique légèrement plus aplati. En conséquence, le gain de chaque accès est de l'ordre de celui qui serait obtenu avec une antenne par voie (configuration de la figure 1); il ne diffère de ce dernier que par les pertes technologiques des dléments de couplage (de l'ordre de 0,5 dB par jonction du type indiqué plus haut à titre- d'exemple) et par la puissance revenant des aériens en raison de leur couplage électromagnétique. Cette puissance est en partie dissipée dans une charge, et les jonctions hybrides peuvent être conçues de façon à éliminer les ondes réfléchies sur chaque paire de dipôles en présence de l'autre paire, de manière à amener le découplage entre les différents accès à un niveau acceptable. Sur la figure 7, on a illustré une variante d'une station à trois canaux d'émission-réception, mais dépourvue des duplexeurs précédemment utilisés : le réseau circulaire de dipôles RC et le coupleur à accès multiples CAM sont identiques, mais ne servent qu'à assurer le couplage des voies d'émission El, E2, E3. La réception est assurée par une antenne unique, additionnelle et distincte, par exemple un monopôle vertical M en forme de fouet (figure 5) surmontant le réseau circulaire RC. Il est alors prévu un étage séparateur SEP permettant de filtrer séparément les canaux de réception respectifs R, R2, R3. Sur les figures 8a et 8b, on a schématisé une station à quatre canaux et un canal de secours, constituée autour de deux réseaux circulaires RC1 et RC2 superposés au sommet du mât, et reliés respectivement à deux coupleurs à accès multiples CAM1 et CAM2. Les réseaux circulaires et les coupleurs. sont du même type que le réseau circulaire RC de la figure 5 et le coupleur CAM de la figure 4. Le coupleur CAM1 groupe trois voies d'émission El, E2, E3, tandis que le coupleur CAM2 regroupe la quatrième voie d'émission E4, une voie d'émission de secours Es et la voie de réception comportant un étage séparateur fournissant en sortie les quatre circuits de réception R1 .... R4;. Sur les figures 9a et 9b, on a illustré de la même façon une station à huit canaux de communication simultanée, comportant trois réseaux circulaires d'antennes RC1, RC2, RC3 et trois coupleurs CAMP, C2 et CAM3. L'ensemble est conçu de la même manière que dans le cas précédent, un étage unique assurant la séparation des huit canaux de réception. Les figures 10a et 1Ob illustrent une station à doezecanaux de communication simultanée, comportant quatre réseaux circulaires de dipôles RC1... RC4 et quatre coupleurs à accès multiples CAM1 .... CAM4. Ici, la réception est assurée par un monopôle commun M placé au sommet du mât et alimentant un étage unique de séparation des canaux de réception R1 .... R12. On constate que, dans cette configuration, la hauteur totale H occupée par les réseaux d'antennes est légèrement supérieure à quatre demilongueurs d'onde , soit une hauteur de 8 à 10 mètres dans la bande VHF. Cette valeur est à comparer à la valeur donnée en début de description pour une configuration du type de la figure 1, mais à douze canaux de communication, qui impose une hauteur de 48 mètres pour douze voies duplex simultanées (et qui en outre nécessite l'emploi de douze duplexeurs). REVENDICATIONS 1. Une antenne VHF omnidirectionnelle à accès multiples comportant trois accès ( 1-A3) reliés respectivement à trois circuits d'émission-réception, caractérisée en ce qu'elle comprend un réseau circulaire (RC) de quatre dipôles verticaux (D1-D4) régulièrement répartis à la périphérie d'un cercle de diamètre i) inférieur à une demi-longueur d'onde (#/2), et un circuit de couplage (CAM) de ces dipôle aux trois accès selon la matrice des phases d'alimentation suivante dipôle 1 dipôle 2 dipôle 3 dipôle 4 accès 1 DO 3 : o : accès 2 : 0 : + 900 : 1800 - 90 accès 3 : - 900 : 1800; + 90 : Les dipôles 1 et 3, ou 2 et 4 respectivement, étant les dip8les diamétralement opposés du réseau. 2. Une antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit de couplage (CAM) com- porte un premier étage formé de deux jonctions hybrides 0-180 (J1, J2), chacune couplant ensemble une paire de dipôles (Dl, D3 ; D2, D4) diamétralement opposés du réseau, et un second étage, formé d'une jonction Q-90 (J4) et d'une jonction hybride (J3), couplant les jonctions du premier étage aux trois accès (A1-A3) de l'antenne. 3. Un système d'antenne pour un réseau de communication à canaux multiples, caractérisé en ce qu'il comprend N IN a 1) antennes selon la revendication 1. 4. Un système selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque accès est relié à un circuit duplexeur (DPX?,ou à un circuit d'alternat, pour assurer l'émission et la réception d'un mEme~canal de communication sur cet accès. 5. Un système selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'un des accès est relié à un circuit commun de réception pourvu d'un étage séparateur (SEP) des différents canaux de communication, les autres accès étant reliés aux circuits d'émission respectifs de chacun des canaux de communication. 6. Un système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les accès sont tous reliés aux circuits d'émission respectifs de chacun des canaux de communication, et en ce qu'il est prévu une antenne additionnelle lM), distincte, reliée à un circuit commun de réception pourvu d'un étage séparateur (SEP) des différents canaux de communication. ? Un système selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'antenne additonnelle (M) comprend un fouet vertical, axial, surmontant le(s) réseaux circulairets) de dipôles.