Brevet FR2602614A1 — publié le 19880212

Antenne d'émission capable de tirer selon plusieurs axes La présente invention se rapporte aux antennes d'émission, comportant plusieurs éléments d'antenne (aerial element dans la littérature anglo-saxonne) et un dispositif de commutation pour déterminer, par modification des conditions de fonctionnement des éléments d'antenne, plusieurs axes de tir. De telles antennes sont connues qui, par exemple, comportent quatre éléments d'antenne constitués par quatre pylônes disposés en rectangle et fonctionnant selon deux modes différents : un fonctionnement à diagramme directif avec une structure d'antenne où les deux pylônes d'un grand côté du rectangle sont utilisés en éléments actifs et où les deux autres sont utilisés en éléments réflecteurs, et un fonctionnement à diagramme large avec une structure d'antenne où un pylône est utilisé en élément actif, où le pylône diagonalement opposé est utilisé en élément réflecteur et où les deux autres pylônes ne sont pas utilisés. Une telle antenne ne permet pas de couvrir tous les azimuts avec ses deux diagrammes et nécessite des circuits d'alimentation et d'accord totalement différents d'une structure à l'autre. I1 existe d'autres antennes comportant plusieurs pylônes, pouvant fonctionner avec deux diagrammes de rayonnement différents et où, chaque fois, tous les pylônes sont utilisés en éléments actifs ; les deux diagrammes nécessitent des circuits d'alimentation, avec des répartitions de puissance difficiles à mettre au point. La présente invention a pour but d'éviter ou, pour le moins, de réduire ces inconvénients tout en proposant une antenne capable de couvrir, par des commutations simples, tous les azimuts. Ceci est obtenu par une antenne à laquelle sont données, par des commutations simples, différentes structures qui, au moins sensiblement, sont semblables et se déduisent les unes des autres par des rotations. Selon l'invention, une antenne d'émission comportant n éléments d'antenne et un dispositif de commutation pour déterminer, par modification des conditions de fonctionnement des éléments d'antenne, plusieurs axes de tir, est caractérisée en ce que les éléments d'antenne sont régulièrement répartis sur un cercle, en ce que le dispositif de commutation est destiné à déterminer n structures d'antenne pour tirer dans n axes de tir distincts, les n structures correspondant à n configurations des éléments d'antenne où au plus deux éléments d'antenne et au moins un élément d'antenne forment des éléments actifs, les autres éléments d'antenne formant des éléments directeurs ou des éléments réflecteurs selon qutils sont placés devant ou derrière les éléments actifs et en ce que les n configurations des éléments d'antenne se déduisent les unes des autres par des rotations autour du centre du cercle. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaitront à l'aide de la description ciaprès et des figures sty rapportant, qui représentent: - la figure 1, une vue schématique de dessus d'une antenne selon l'invention, - la figure 2, une vue plus détaillée d'une partie de l'antenne selon la figure 1, - la figure 3, des diagrammes de rayonnement relatifs à l'antenne selon les figures 1 et 2, - la figure 4, une vue d'une maquette ayant servi à la détermination de l'antenne selon les figures 1 et 2, - la figure 5, un schéma relatif à l'antenne selon les figures 1 et 2, - la figure 6, un schéma détaillé d'un des éléments de la figure 5, - les figures 7 à 14 des schémas d'antennes selon l'invention. Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères. La figure 1 représente, vue de dessus, une antenne selon l'invention. Cette figure montre une ligne d'alimentation principale, AO, qui amène l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'antenne. Cette ligne AO aboutit dans une cabine, M, située au centre, 0, de l'antenne. De la cabine M partent cinq lignes auxiliaires, A1-A5, toutes de même longueur et ces cinq lignes sont respectivement connectées à cinq éléments d'antenne constitués par la partie rayonnante de cinq pylônes P1-P5. Les cinq pylônes sont régulièrement répartis sur un cercle C de centre 0 si bien que l'angle que font deux pylônes consécutifs sur le cercle C, avec le centre 0, est de 3600/5 = 720. Le fonctionnement de cette antenne va être expliqué à l'aide, en particulier, de la figure 2. La figure 2 montre le pourtour de la cabine M en traits fins interrompus, ainsi que le contenu de la cabine et l'arrivée de la ligne principale AO et les départs des lignes auxiliaires Al à A5. La ligne AO, qui est la ligne d'alimentation de l'antenne, pénètre dans la cabine M, traverse une réactance d'adaptation Xa et aboutit au centre 0 de l'antenne. Ce centre 0 est le sommet d'une étoile à cinq branches, A, dont les branches, toutes de même longueur, sont reliées respectivement aux premières bornes de cinq commutateurs électromécaniques, S1 à S5. Les commutateurs S1 à S5 sont des commutateurs à trois bornes et un plot central.Sur les deuxièmes bornes de ces commutateurs aboutissent respectivement les cinq branches d'une autre étoile, D; cette autre étoile a des branches toutes de même longueur et a son sommet relié à l'une des extrémités d'une réactance, Xd, dont l'autre extrémité est à la terre. Les troisièmes bornes des commutateurs S1 à S5 sont reliées à la terre respectivement à travers cinq réactances identiques, Xrl à Xr5 Tels que sont positionnés les commutateurs S1 à S5 sur la figure 2, seules les lignes auxiliaires A2 et A5, et donc les pylônes P2 et P5, sont alimentées tandis que, d'une part, la ligne auxiliaire AI relie la réactance Xd au pylône P1 et que, d'autre part, les lignes auxiliaires A3 et A4 relient respectivement la réactance Xr3 au pylône P3 et la réactance Xr4 au pylône P4. La réactance Xa constitue une cellule d'adaptation d'impédance entre, d'un côté, l'impédance de la ligne principale d'allmentation et, de l'autre côté, l'impédance ramenee par les deux sources de rayonnement que constituent les pylônes alimentés P2 et P5. La réactance Xd a été choisie pour que, dans l'antenne, telle qu'elle est déterminée par la position des cinq conumutateurs S1 à S5, le pylône P1 se comporte en élément directeur. De même les réactances Xr3 et Xr4 ont été choisies pour que les pylônes P3 et P4 se comportent en éléments réflecteurs. Ainsi l'antenne selon les figures 1 et 2 comporte - deux éléments actifs ou sources, P2, P5, alimentés en phase car alimentés de façon identique à partir d'un point commun, 0, - deux éléments réflecteurs P3 et P4 - et un élément directeur P1. Cette antienne, dont les valeurs effectives des éléments seront précisées plus loin, émet selon une direction principale, ou axe de tir, El, qui est la direction du centre 0 vers le pylône Pi l'allure du diagramme de rayonnement horizontal, H1, est indiquée sur la figure 3. Il est à remarquer que l'antenne selon les figures 1 et 2 permet d'émettre, toujours avec le même diagramme, soit dans la direction El soit dans l'une des directions E2 à E5 (voir figure 3) qui se déduisent de la direction El des rotations de 720, autour du point 0, dans le plan horizontal. Il suffit pour cela de choisir convenablement les positions des commutateurs. C'est ainsi que, pour émettre dans la direction E4 qui est la direction du centre 0 vers le pylône P4, le commutateur S4 reliera le pylône P4 à la réactance Xd, faisant ainsi du pylône P4 un élément directeur, les commutateurs S3 et S5 relieront respectivement les pylônes P3 et P5 à la ligne d'alimentation A0 assurant ainsi une alimentation en phase de ces deux pylônes, et les commutateurs S1 et S2 relieront respectivement le pylône Pi à la réactance Xrl et le pylône P2 à la réactance Xr2.Le diagramme de rayonnement, H4, obtenu par l'antenne ainsi commutée a été représenté, partiellement et en traits interrompus, sur la figure 3 ; ce diagramme se déduit du diagramme H1 par une rotation de 2 x 72 = 1440, dans le plan horizontal, dans le sens direct, autour du point 0. De façon similaire, en modifiant les positions des commutateurs S1 à S5 (figure 2) il est possible d'obtenir trois autres diagrammes de rayonnement, H2, H3, H5, soit au total cinq diagrammes de rayonnement régulièrement décalés, dans le plan horizontal, d'un nombre entier de fois 720 autour du point O. Ainsi, simplement en modifiant la position des commutateurs il est possible, avec l'antenne des figures 1 et 2 d'émettre selon cinq directions principales El à E5 (figure 3) et, compte tenu des diagrammes de rayonnement choisis, d'émettre pratiquement dans tous les azimuts grâce au recoupement obtenu entre ces diagrammes. Il est à noter qu'il est possible de dévier un ou plusieurs lobes de rayonnement par rapport aux directions El à E5 indiquées sur la figure 3 ; il suffit, pour cela, d'introduire une dissymétrie dans l'alimentation des pylônes utilisés en éléments actifs, par exemple au moyen d'une inductance série insérée dans l'un des deux lignes auxiliaires relatives aux deux pylônes alimentés ; de cette façon des déviations de i 150 sont faciles à créer. li est également à noter qu'il est possible de modifier la largeur des diagrammes de rayonnement en modifiant les réactances d'accord des pylônes formant l'élément directeur et les éléments réflecteurs. L'antenne qui vient d'être décrite est une antenne formée de pylônes de hauteur ? /2 fonctionnant sur une fréquence voisine de 1,5 MHz avec un diagramme ayant un gain d'environ 9dB (par rapport à l'unipole court au sol) et une largeur du lobe à 3dB d'environ 650. L'étude, qui a donné l'antenne indiquée ci-avant > est partie sur les conditions initiales ci-après, dictées soit par l'expérience soit par les astreintes matérielles - constante de rayonnement prise égale à 1 pour chacun des pylônes employés en éléments actifs, - constantes de rayonnement des pylônes constituant l'élément directeur et les deux éléments réflecteurs, choisies de manière à être réalisables en accordant les pylônes à l'aide d'une simple réactance; c'est à dire en utilisant ces trois pylônes en pylônes passifs, - rayon du cercle C (figure 1), circonscrit aux cinq pylônes, choisi de l'ordre de 7\/4 n/4 (3r : longueur d'onde de travail), cette valeur donnant généralement les meilleurs diagrammes pour le gain et la protection arrière. Une détermination de l'antenne a pu alors être effectuée e au moyen d'une maquette à l'échelle de 1/100e en utilisant donc une fréquence de travail multipliée par cent, soit 150 MHz. La figure 4 montre le matériel ayant servi à cette étude. La maquette comporte un plateau tournant, T, de 3 mètres de diamètre, en métal conducteur, formant plan de sol ; des pylônes, P1'-P5', sont formés par cinq tubes de cuivre de lm de haut et de 20mm de diamètre, placés verticalement sur le plateau avec un isolateur à leur base ; ces pylônes sont disposés aux sommets d'un pentagone régulier dont le rayon du cercle circonscrit, C', vaut ;1/4 soit 50 cm. L'un, P1', des pylônes est utilisé en pylône directeur la base de son tube est reliée au plateau par une réactance ajustable Xdl. Les pylônes P2' et P5', les plus proches du pylône P1' et, donc, les plus éloignés du diamètre du cercle C' passant par le pylône P1', sont utilisés en éléments actifs et sont, pour cela, alimentés à partir du centre 0' du plateau T par un générateur G. Les pylônes P3' et P4' sont utilisés en éléments réflecteurs ; la base de leur tube est reliée au plateau par une réactance ajustable : Xr3' pour P3' et Xr4' pour P4'. La maquette comporte également une antenne de réception, fixe, Af, associée à un récepteur R et disposée à environ S \ soit 10 mètres du centre 0' du plateau ; sur la figure 4, pour des raisons de place et de compréhension du dessin, les échelles n'ont pas toujours été respectées en particulier en ce qui concerne la distance entre le plateau T et l'antenne Af. Dans la maquette selon la figure 4, quatre paramètres de l'antenne à cinq pylônes sont variables - sa position en azimut, du fait de la rotation, indiquée par une flèche U, du plateau T autour d'un axe vertical passant par son centre O', - la dimension du cercle C' - la valeur de la réactance Xdl - les valeurs des réactances Xr3' et Xr4' qui sont d'tailleurs réglées simultanément et de façon identique. Pour différentes valeurs du cercle C', de Xdl et de Xr3' = Xr4' des diagrammes de rayonnement dans le plan horizontal sont relevés par rotation de 3600 du plateau T et mesure de la quantité d'énergie reçue par le récepteur R. Ces relevés de diagrammes ont conduit à sélectionner les valeurs suivantes - cercle C' de 45 cm de rayon, - Xdl = 320 ohms - Xr3' = Xr4' = 1000 ohms avec une impédance des pylônes alimentés, P2', P5', égale à environ 290 ohms - j. 390 ohms. A partir de ces valeurs a pu être mise au point l'antenne déjà décrite à l'aide des figures i à 3 et dont les figures 5 et 6 donnent une vue du type de réactances utilisées mais sans représenter les commutateurs S1-S5 dont seules les connexions, qu'ils établissent à un moment donné, sont dessinées.Les valeurs des principaux éléments constituant cette antenne sont les suivantes - 45 m pour le rayon du cercle C (figure 1) de l'antenne grandeur nature c'est à dire 100 fois la dimension correspondante de la maquette, - réactance Xd d'accord du pylône utilisé en élément directeur, obtenue par un condensateur, Cd, de 660 pF - réactances d'accord des pylônes utilisés en éléments réflecteurs obtenues par des inductances Lr3, Lr4 de 1,75 pH chacune, - cellule d'adaptation d'impédance Xa constituée, vu du centre O de l'antenne par une inductance en série, La, de 6 pH suivie d'un condensateur en parallèle, Ca, de 1900 pF. - la ligne princlpale, AO, et les lignes auxiliaires, Al- A5, sont des lignes coaxiales de 120 ohms d'impédance caractéristique et la longueur des lignes auxiliaires, Al- A5, entre la cabine M et les pylônes, est de 40,5 mètres. Il est à remarquer qu'au pied des cinq pylônes, P1-P5, ont été branchées respectivement cinq cellules compensatrices, B1-B5, toutes identiques. La figure 6 montre une de ces cellules compensatrices et son raccordement au pylône dont seul l'isolateur K et la base de la partie rayonnante, P, apparaissent sur la figure. En série avec la ligne auxiliaire, la cellule compensatrice comporte une première inductance Ls de 30 iiH, qui est raccordée à la base de la partie rayonnante P; la cellule compensatrice comporte - également une seconde inductance, Lp, de 100 pH, qui est connectée entre la base de la partie rayonnante P et le sol. Le rôle de la première inductance, Ls, placée entre la ligne auxiliaire et le pylône, est de diminuer le rapport d'onde stationnaire sur la ligne auxiliaire.La seconde inductance, Lp, a plusieurs rôles - elle compense la capacité parasite, de l'isolateur K, - elle met la partie rayonnante, P, du pylône à la terre électriquement d'un point de vue électrostatique, - elle permet le passage progressif, de la tension zéro à la tension appliquée sur le pylône, d'un câble, V, d'amenée de l'énergie nécessaire aux lampes de balisage du pylône ; pour cela le câble V, représenté en traits interrompus sur la figure 6, circule à l'intérieur du conducteur creux formant l'inductance Lp. Les figures 7 à 15 sont des schémas relatifs à diverses structures préférées d'antennes selon l'invention. Ces schémas, où les éléments d'antenne sont représentés par des petits cercles, montrent que les éléments d'antenne, quel que soit leur nombre sont régulièrement espacés sur un cercle, C, dont le centre, O, a été indiqué. Toutes les antennes représentées sur ces schémas sont des antennes comportant des commutateurs semblables aux commutateurs S1 à S5 de la figure 2 et leurs éléments d'antenne peuvent ainsi être utilisés soit en éléments actifs, soit en éléments réflecteurs, soit en éléments directeurs ; les commutateurs sont considérés dans des positions où ils déterminent une émission dont l'axe de tir, E, est représenté par une flèche sur chacune de ces figures.Afin d'indiquer si un élément d'antenne est utilisé en élément actif, réflecteur ou directeur, dans le cas considéré sur la figure, il lui est donné une référence se terminant respectivement par les lettres a, r ou d ; c'est ainsi que, dans le cas de la figure 7, où l'antenne comporte trois éléments d'antenne, les éléments d'antenne Pia et P3a sont des éléments actifs, tandis que l'élément d'antenne P2r est un élément réflecteur. La figure 8 se rapporte également à une antenne à trois éléments d'antenne mais où un seul des éléments d'antenne, Pla, est utilisé en élément actif, les deux autres, P2r, P3r, étant utilisés en éléments réflecteurs ; cette structure d'antenne se distingue de la structure selon la figure 7 par un diagramme de rayonnement plus large. Les figures 9 et 10 se rapportent à des antennes à quatre éléments d'antenne avec un diagramme directif dans le cas de la figure 9 (éléments d'antenne Pld, P2a, P3r, P4a) et un diagramme plus large dans le cas de la figure 10 (éléments d'antenne Pla, P2r, P3r, P4r). La figure 11 se rapporte à une antenne à cinq éléments d'antenne, comme l'antenne décrite à l'aide des figures 18 6, mais avec un diagramme de rayonnement plus large correspondant à une structure où l'un des éléments d'antenne, Pla, est utilisé en élément actif et les quatre autres, P2r à P5r, en éléments réflecteurs. Les figures 12 et 13 se rapportent à des antennes à six éléments d'antenne, avec un diagramme directif dans le cas de la figure 12 (éléments d'antenne Pld, P2a, P6a et P3r à P5r) et un diagramme plus large dans le cas de la figure 13 (éléments d'antenne Pla et P2r à P6r). Les figures 14 et 15 se rapportent à des antennes à sept éléments d'antenne, avec un diagramme directif dans le cas de la figure 14 (éléments d'antenne Pld, P7d, P2a, P6a et P3r à P5r) et un diagramme plus large dans le cas de la figure 15 (éléments d'antenne Pla et P2r à P7r) 1l est à remarquer que ces différentes structures préférées d'antennes selon l'invention présentent des caractères conlmuns :: - pour des antennes à diagramme directif deux éléments d'antenne sont utilisés en éléments actifs, ces deux éléments d'antenne soîit choisis symétriques par rapport à l'axe de tir, E, les plus éloignés possibles de cet axe et le nombre de éléments d'antenne placés derrière les éléments actifs et utilisés en éléments réflecteurs est toujours au moins égal au nombre d'éléments d'antenne placés devant les éléments actifs et utilisés en éléments directeurs, - pour les antennes à diagramme plus large un seul élément d'antenne est utilisé en élément actif, tous les autres étant utilisés en éléments réflecteurs. I1 est à noter qu'une antenne donnée peut facilement être employée en antenne à diagramme directif et en antenne à diagramme plus large, il suffit pour cela d'avoir suffisamment de commutateurs et les réactances convenables pour définir les différentes structures désirées, étant entendu que, par exemple, dans le cas d'une antenne à cinq éléments d'antenne il peut être envisagé d'avoir cinq axes de tir à diagramme directif et seulement un axe de tir à diagramme plus large. Dans la description à l'aide de la figure 2, il a été vu que la réactance, Xd, destinée au pylône utilisé en élément directeur, était commutée à l'aide d'une étoile, D, ce qui faisait que, quel que soit le pylône utilisé en élément directeur, c'était toujours la même réactance Xd qui était connectée sur ce pylône ; par contre, chaque pylône utilisé en élément réflecteur avait sa propre réactance, Xrl à Xr5, branchée sur la troisième borne du commutateur, S1 à S5, associée au pylône considéré ; ce regroupement de réactances dans le cas de Xd et cette distribution de réactances dans le cas de Xrl à Xr5 sont simplement dus à des considérations relatives à l'exemple décrit et tendant à choisir la solution la meilleure compte tenu du coût des réactances et des étoiles, et du volume qu'elles occupent. Dans d'autres réalisations d'antennes selon l'invention il pourra, par contre, être utile de regrouper, à l'aide d'une étoile, les réactances destinées aux éléments réflecteurs ou de distribuer sur chacun des commutateurs les réactances destinées aux éléments directeurs. Les antennes selon la présente invention sont, en particulier mais pas uniquement, destinées au domaine des ondes hectométriques (300-3000 kHz) pour des émissions par ondes ionosphériques à des distances de l'ordre de 500 à 1500 km, qui réclament un gain d'antenne assez important. REVENDICATIONS 1. Antenne d'émission comportant n éléments d'antenne (n : entier au moins égal à 3) et un dispositif de commutation pour déterminer, par modification des conditions de fonctionnement des éléments d'antenne, plusieurs axes de tir, caractérisée en ce que les éléments d'antenne (P1-P5) sont régulièrement répartis sur un cercle (C), en ce que le dispositif de commutation (S1-S5) est destiné à déterminer n structures d'antenne pour tirer dans n axes de tir (E1-E5) distincts, les n structures correspondant à n configurations d'éléments d'antenne où au plus deux éléments d'antenne et au moins un élément d'antenne forment des éléments actifs, les autres éléments d'antenne formant des éléments directeurs ou des éléments réflecteurs selon qu'ils sont placés devant ou derrière les éléments actifs et en ce que les n configurations d'éléments d'antenne se déduisent les unes des autres par des rotations autour du centre du cercle. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que, pour tirer dans un des n axes - distincts, dans le cas où deux éléments d'antenne forment des éléments actifs, ces deux éléments d'antenne sont disposés symétriquement par rapport à l'axe de tir considéré et sont choisis d'une part de telle sorte qu'ils soient au moins aussi éloignés de l'axe de tir que tout autre des n éléments d'antenne et d'autre part de telle sorte qu'il y ait au moins autant d'éléments d'antenne formant éléments réflecteurs que d'éléments d'antenne formant éléments directeurs. 3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que, pour tirer dans un des n axes distincts, dans le cas où un seul élément d'antenne forme un élément actif, cet élément d'antenne est disposé à l'avant de l'antenne et les n-1 autres éléments d'antenne forment des éléments réflecteurs.