Brevet FR2758011A1 — publié le 19980703

La présente invention concerne les antennes à large bande pour stations fixes ou véhicules et, en particulier, mais pas exclusivement, les antennes destinées aux véhicules sur roues et dont les fréquences de travail se situent dans la bande des ondes métriques et décimétriques couramment dites bandes VHF et UHF selon leur sigle dans la littérature anglo-saxonne. II est connu d'utiliser des antennes fouets comme antenne d'un poste émetteur-récepteur monté sur un véhicule. Ces antennes unipolaires dont la plan de masse associé est généralement la carrosserie du véhicule, ont l'avantage d'être souples et donc de ne pas se briser quand elles touchent un obstacle ; par contre leur bande de fréquences de travail est insuffisante dans certaines applications. Pour y remédier, il est envisageable d'employer au moins deux antennes fouets de longueurs différentes et de les commuter sur le poste en fonction des fréquences de travail mais il est peu pratique et coûteux d'avoir à monter plusieurs antennes, pour un même poste, sur un véhicule. II est également envisageable de scinder l'antenne fouet en deux tronçons dans le prolongement l'un de l'autre avec un interrupteur entre les deux tronçons mais cette solution présente des inconvénients : capacité de fuite non négligeable entre les deux tronçons, problème de l'isolation des moyens de commande de l'interrupteur par rapport aux éléments rayonnants de l'antenne. La présente invention a pour but d'éviter ou pour le moins de réduire ces inconvénients. ceci est obtenu en associant une antenne unipolaire et une antenne dipôle d'une manière telle que lorsque l'antenne dipôle est connectée, L'antenne unipolaire constitue l'un des deux conducteurs du câble d'alimentation de l'antenne dipôle. Selon l'invention, il est proposé pour cela une antenne à large bande, en particulier pour véhicule, caractérisée en ce qu'elle comporte un plan de masse percé d'un orifice, avec d'un côté l'espace extérieur au véhicule, et de l'autre côté un espace protégé, un câble coaxial qui traverse l'orifice, avec une première extrémité dans l'espace extérieur et une seconde extrémité dans l'espace protégé, le câble formant des spires entre l'orifice et sa seconde extrémité, une liaison entre le conducteur extérieur du câble et le plan de masse au niveau de la seconde extrémité, un élément rayonnant de type dipôle, connecté, pour être alimenté, à la seconde extrémité du câble, un transformateur dont le secondaire comporte le conducteur extérieur des spires, une impédance de valeur égale à l'impédance caractéristique du câble, et un câble d'alimentation, et en ce qu'elle comporte des moyens de commutation pour soit coupler le câble d'alimentation à la seconde extrémité du câble coaxial soit coupler le câble d'alimentation au primaire du transformateur et, simultanément, brancher l'impédance sur la seconde extrémité du câble coaxial. II est à noter qu'il est également connu par la demande de brevet US 749,452 d'associer une antenne unipolaire et une antenne dipôle disposées dans le prolongement l'une de l'autre avec chacune leur câble d'alimentation, celui de l'antenne dipôle passant à l'intérieur du bras inférieur de l'antenne dipôle pour atteindre le milieu de cette dernière antenne. L'antenne unipolaire est destinée à servir d'antenne pour poste radiophonique et donc à travailler à des fréquences basses comparées aux fréquences de fonctionnement de l'antenne dipôle destinée à servir d'antenne de radiotéléphone. Ces deux antennes ne constituent pas une antenne large bande, leurs bandes de fonctionnement étant très écartées l'une de l'autre ; mais surtout, I'association de ces deux antennes nécessite deux câbles d'alimentation distincts et la présence de pièces isolantes en divers endroits des parties rayonnantes, alors que, comme il apparaîtra dans ce qui suit, L'antenne selon l'invention ne nécessite qu'un câble d'alimentation et que les isolants rentrant dans le montage de ses parties rayonnantes sont en nombre réduit. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: - la figure 1, une vue simplifiée d'une antenne selon l'invention, - les figures 2 et 3, des schémas électriques de l'antenne selon la figure i, dans chacun de ses deux modes de fonctionnement. Sur les différentes figures, les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères. La description qui suit considère une antenne émettrice mais, bien entendu, du fait de la réversibilité des ondes électromagnétiques, les antennes selon l'invention peuvent aussi bien fonctionner en réception. La figure 1 représente une antenne à éléments commutables. Pour une meilleure compréhension du dessin les rapports entre les dimensions n'ont pas été respectées sur cette figure. L'antenne qui a servi d'exemple pour la description qui va suivre est une antenne destinée à fonctionner dans la bande 30400 MHz. L'antenne est représentée telle qu'elle est montée sur le toit métallique, M, vu en coupe, d'un véhicule. Elle comporte, sous le toit M, un boîtier métallique B, vu en coupe et dont le contenu sera décrit plus loin; sur le toit M, L'antenne comporte des éléments rayonnants protégés par un radôme 3. Les éléments rayonnants comportent un dipôle à jupe, 1, et un tronçon cylindrique conducteur, 20, constitué par le conducteur extérieur de la partie supérieure d'un câble coaxial souple 2; ce câble coaxial traverse le toit M et la partie inférieure est contenue dans le boîtier B ; la traversée du toit par le câble 2 se fait par un trou circulaire, avec un anneau isolant 30 entre le câble et les bords du trou. Le radôme, en matériau diélectrique transparent aux ondes électromagnétiques, maintient les éléments rayonnants en position verticale et les rend solidaires du boîtier B. Dans ce montage le toit M et le boîtier B constituent un contrepoids pour l'antenne, c'est-à-dire un ensemble de conducteurs qui fournit à l'antenne, isolée du sol, une référence de masse. Le dipôle à jupe 1 comporte un barreau vertical conducteur 11 pour sa partie supérieure et une jupe 12, formée par un tube conducteur avec un fond percé d'un trou, pour sa partie inférieure. Ce dipôle est alimenté en son centre par le câble coaxial 2 dont, pour cela, à son extrémité supérieure, le conducteur intérieur 21 du câble est relié à l'extrémité inférieure du barreau vertical Il et la tresse métallique qui constitue le conducteur extérieur du câble est reliée aux bords du trou percé dans le fond de la jupe 12. Sur la figure 1, la jupe 12 n'a été représentée que par ses traces dans le plan du dessin, de manière à permettre de voir comment le câble coaxial 2 est connecté, à son extrémité supérieure, au dipôle 1. Le câble 2, après avoir traversé le toit M pour pénétrer dans le boîtier B, s'enroule autour d'un noyau ferromagnétique 5 en formant une bobine 22 puis, vers son extrémité inférieure, a son conducteur extérieur relié au boîtier B et son conducteur intérieur relié au quatrième accès d'un commutateur, 7, à cinq accès et deux positions. Le commutateur 7 est un commutateur mécanique dont la commande électrique est figurée par un trait fléché discontinu 70. Le premier accès du commutateur 7 est relié au conducteur intérieur d'un câble coaxial d'alimentation 8 qui, venant de l'extérieur du boîtier B, aboutit à un trou percé dans ce boîtier; la tresse métallique du conducteur extérieur du câble 8 est soudée aux parois de ce trou. Le deuxième accès du commutateur 7 est relié, à travers une résistance 6, au boîtier B. Le troisième accès est relié, en un point P de la bobine 22, au conducteur extérieur du câble 2 et le cinquième accès n'est pas connecté. Dans sa position haute, comme représenté sur la figure 1, le commutateur 7 relie son premier accès à son troisième accès et son deuxième accès à son quatrième accès tandis que, dans sa position basse, il relie son premier accès à son quatrième accès et son deuxième accès à son cinquième accès. Ainsi, avec le commutateur 7, en position basse, le câble d'alimentation 8 et le câble 2 sont branchés bout à bout à l'intérieur du boîtier B et tout se passe comme si l'alimentation du dipôle 1 se faisait par un simple câble coaxial qui aurait la même origine que le câble 8 et qui aboutirait, comme le câble 20, au centre du dipôle 1. Avec le commutateur 7 en position haute les conducteurs extérieurs des câbles 2 et 8 sont toujours reliés entre eux par l'intermédiaire du boîtier B qui sert de référence de masse, par contre le conducteur intérieur du câble 8 est relié en un point P du conducteur extérieur de la bobine 22. Le conducteur extérieur de la bobine 22, avec le noyau 5, constitue un autotransformateur avec point commun entre le primaire et le secondaire relié à la masse, primaire situé entre la masse et le point P et secondaire situé entre la masse et le tronçon 20 dont il a été question plus avant lors de la désignation des éléments rayonnants de l'antenne. Ainsi, en position haute du commutateur 7, le signal fourni pour le câble 8 et appliqué au conducteur extérieur du câble 2. La valeur de la résistance 6 est choisie, à dessein, égale à l'impédance caractéristique de la ligne de transmission constituée par la câble coaxial 2 ; et, lorsque le commutateur 7 relie cette résistance à I'extrémité inférieure du câble 2, la théorie des lignes montre que tout se passe sur le plan électrique comme si la résistance était branchée entre les extrémités supérieures des conducteurs intérieur et extérieur du câble 2. Dans le cas où le commutateur 7 est en position haute, ce qui correspond à l'utilisation de l'antenne dans la bande basse, 30-108 MHz, de ses fréquences de fonctionnement, le schéma radioélectrique de l'antenne peut être dessiné comme indiqué sur la figure 2. Sur cette figure l'influence de la jupe 12 du dipôle 1 a été représentée par une impédance, 12', placée au niveau de l'extrémité inférieure de la jupe. Aux fréquences d'utilisation considérées cette indépendance est selfique et de valeur négligeable. L'influence de la résistance 6 dont il a été question ci-avant est représentée par une résistance 6' égale à la résistance 6 et placée entre les éléments 11 et 12. L'antenne, dans sa configuration selon la figure 2, est une antenne unipolaire chargée par une inductance 12' qui n'a qu'un rôle négligeable, et par une résistance 6' qui permet d'atténuer la surtension de cette antenne unipolaire et donc d'élargir sa bande passante. Cette antenne unipolaire a, au niveau de son pied, un plan de masse M constitué par le toit du véhicule, et est alimentée à son pied grâce à l'autotransformateur 22-5 sur le primaire duquel est connecté le câble d'alimentation 8. Dans le cas où le commutateur 7 selon la figure 1 est en position basse, ce qui correspond à l'utilisation de l'antenne dans la bande haute, 108400 MHz, de ses fréquences de fonctionnement, le schéma radioélectrique de l'antenne peut être dessiné comme indiqué sur la figure 3. L'antenne, dans sa configuration selon la figure 3, est un dipôle 11-12 alimenté en son centre par les câbles 8, 2 mis bout à bout. Des courbes A2 et Al représentent la distribution du courant qui circule respectivement dans l'antenne unipolaire 20, 12, 11 selon la figure 2 et dans le dipôle 11-12 selon la figure 3. L'antenne qui a servi d'exemple pour la description qui précède a: - une longueur totale de chacun des éléments 11, 12 égale aux 5/8émeus de la longueur d'onde à 400 MHz soit sensiblement 45 cm, - une hauteur totale au-dessus du toit M égale aux 5/8sèmes de la longueur d'onde à 108 MHz soit sensiblement 170 cm, - un diamètre de radôme de 20 mm pour conserver une certaine discrétion à l'antenne, - une impédance caractéristique de travail de 93 ohms ce qui nécessite d'intercaler un transformateur d'impédance entre le commutateur 7 et le câble 8 pour rendre l'antenne compatible avec les postes standardisés sur une valeur d'impédance caractéristique de 50 ohms; pour ne garder que les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ce transformateur d'impédance n'a pas été dessiné sur les figures. L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et dessiné quelques variantes sont d'ailleurs indiquées ci-après: - le câble coaxial 2 peut être un câble relativement rigide, afin de ne pas avoir à utiliser de radôme ou du moins de radôme rigide et cela sous réserve de rendre suffisamment rigide l'ensemble 1-2 selon la figure 1, - a la place de l'autotransformateur 22-5, il est possible d'employer un transformateur dont le secondaire serait constitué, par exemple, par la bobine 22 et dont le primaire pourrait être constitué par une autre bobine enroulée autour du noyau 5 au-dessus de la bobine 22 et dont une extrémité serait reliée à la masse, par exemple en contact avec l'extrémité inférieure du conducteur extérieure du câble 2 ; quant à la seconde extrémité de ce primaire elle serait reliée au troisième accès du commutateur 7 tandis que la liaison entre ce troisième accès et le point P serait supprimée, - le barreau vertical il peut être de plus ou moins grand diamètre et, par exemple, avoir le même diamètre que la jupe; il peut également être remplacé par un conducteur filaire chargé par des condensateurs c'est-àdire un alignement fait de tronçons conducteurs séparés par des condensateurs avec, par exemple, trois tronçons conducteurs et deux condensateurs, - le dipôle à jupe 1 peut même être remplacé par toute autre antenne de type dipôle, susceptible d'être employée aux fréquences de travail considérées, - deux filtres peuvent être introduits pour améliorer l'adaptation de l'antenne au poste auquel elle est destinée . un filtre passe-bas qui est commuté pour le fonctionnement dans la bande basse et un filtre passe-haut qui est commuté pour le fonctionnement dans la bande haute, - les fréquences de travail peuvent, surtout en ce qui concerne les antennes pour stations fixes, se situer dans la bande des ondes décamétriques, couramment dite bande HF selon son sigle dans la littérature anglo-saxonne. REVENDICATIONS 1. Antenne à large bande, en particulier pour véhicule, caractérisée en ce qu'elle comporte un plan de masse (M) percé d'un orifice, avec d'un côté l'espace extérieur au véhicule, et de l'autre côté un espace protégé, un câble coaxial (2) qui traverse l'orifice, avec une première extrémité dans l'espace extérieur et une seconde extrémité dans l'espace protégé, le câble formant des spires (22) entre l'orifice et sa seconde extrémité, une liaison entre le conducteur extérieur du câble et le plan de masse au niveau de la seconde extrémité, un élément rayonnant de type dipôle (1), connecté, pour être alimenté, à la seconde extrémité du câble, un transformateur (5, 22) dont le secondaire comporte le conducteur extérieur des spires une impédance (6) de valeur égale à l'impédance caractéristique du câble, et un câble d'alimentation (8), et en ce qu'elle comporte des moyens de commutation pour, soit coupler le câble d'alimentation à la seconde extrémité du câble coaxial soit coupler le câble d'alimentation au primaire du transformateur et, simultanément, brancher l'impédance sur la seconde extrémité du câble coaxial. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le câble coaxial (2) est un câble souple et en ce qu'elle comporte un radôme rigide (3), solidaire du plan de masse (1) et qui entoure l'élément rayonnant de type dipôle (1) ainsi que la partie du câble coaxial (2) située dans l'espace extérieur. 3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le l'élément rayonnant de type dipôle (1) est un dipôle à jupe. 4. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le transformateur (5, 22) est un autotransformateur dont le primaire est constitué par une partie du conducteur extérieur des spires (22). 5. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le transformateur (5, 22) comporte un noyau ferromagnétique (5) autour duquel sont enroulées les spires (22).