Brevet FR2783097A1 — publié le 20000310

ANTENNE D'EMISSION-RECEPTION D'ONDES RADIO A POLARISATION VERTICALE. L'invention est relative à une antenne d'émission- réception d'ondes radio à polarisation verticale, avec un fouet vertical. L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, une telle antenne pour la bande du 27/28 MIz, soit la bande des 10/11 m, pour cibistes, amateurs radio, radio-amateurs. Cet exemple toutefois n'est pas limitatif, l'antenne pouvant convenir à toute bande d'émission-réception. On sait que les conditions d'émission et de réception dépendent de l'angle de départ des ondes d'émission ou de l'angle d'arrivée des ondes de réception. L'angle de départ ou d'attaque ou de tir ou d'élévation, est constitué par l'angle que forment la ligne d'horizon et la ligne de direction du lobe maximal d'émission par rapport à cet horizon. Une définition semblable s'applique à l'angle d'arrivée. Il est donc important de pouvoir accorder l'angle de départ, ou d'arrivée, des ondes électromagnétiques afin d'obtenir le meilleur gain en émission, ou en réception, d'une station donnée, et, selon le mode de transmission utilisé, en fonction de l'état d'ionisation des couches atmosphériques concernées ou de la propagation en tir direct( portée optique). On connaît, dans ce but, une antenne verticale montée sur un mât télescopique dont le contrepoids électrique est réalisé partiellement ou uniquement par le sol; la variation de la hauteur de l'antenne par rapport au sol fait varier l'angle de départ des ondes. Ce système est toutefois fort coûteux à réaliser et est quasiment impossible à installer sur le toit d'une habitation, ce qui correspond cependant à la majorité des cas. L'invention a pour but, surtout, de fournir une antenne d'émission-réception d'ondes radio à polarisation verticale qui permette d'accorder au mieux l'angle de départ ou d'arrivée des ondes électromagnétiques afin d'obtenir le meilleur gain en émission et en réception. Il est souhaitable que l'antenne reste d'une réalisation simple et économique, tout en permettant, notamment, une installation sur le toit d'une habitation. Selon l'invention, une antenne d'émission- réception d'ondes radio à polarisation verticale avec un fouet vertical est caractérisée par le fait qu'elle comporte, en partie basse, au moins un radian monté pivotant de manière que l'angle entre ce radian et le fouet de l'antenne soit réglable et qu'un moyen de commande de l'inclinaison du radian est prévu pour permettre de régler cet angle à volonté. De préférence, l'antenne comporte, en partie basse, au moins trois radians montés pivotants et un moyen de commande de l'inclinaison de chaque radian pour permettre de régler l'angle de ce radian avec le fouet vertical de l'antenne. Le montage pivotant des radians est prévu, de préférence, pour permettre un réglage de l'angle entre le radian et le fouet de l'antenne sur une plage allant au moins de 15 à 1350. Avantageusement, l'antenne comporte huit radians, régulièrement espacés. Les angles d'inclinaison entre chaque radian et le fouet de l'antenne sont de préférence égaux. L'antenne comporte, avantageusement, un moyen de commande propre à agir simultanément et de la même manière sur les inclinaisons de tous les radians de l'antenne relativement au fouet. Selon un mode de réalisation préféré, chaque radian est monté pivotant autour d'un axe de pivotement orthogonal au fouet de l'antenne et écarté radialement de celui-ci, et le moyen de commande est prévu pour modifier l'inclinaison des radians par déplacement vertical d'un élément coaxial au fouet de l'antenne et relié à chaque radian, en particulier relié à un prolongement de ce radian radialement vers l'intérieur par rapport à l'axe de pivotement. Le moyen de commande peut comprendre un moteur entraînant un excentrique qui actionne une bielle de commande principale agissant sur l'élément constitué par un coulisseau cylindrique vertical, coaxial au fouet, auquel sont reliées des biellettes qui transmettent, par des moyens compensateurs d'élongation et de raccourcissement, le mouvement à des tiges de commande des radians. Chaque radian peut être constitué par une tige, en particulier d'aluminium, de section ronde fixée de manière démontable sur une tige de commande montée pivotante autour d'un axe de pivotement orthogonal au fouet de l'antenne, cet axe de pivotement étant supporté par la paroi d'un boîtier traversée sensiblement radialement par la tige de commande, ce boîtier étant situé au bas du fouet de l'antenne. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins ci-annexés, mais qui n'est nullement limitatif. La Figure 1, de ces dessins, est une coupe schématique verticale, avec parties en extérieur et parties enlevées, d'une antenne à polarisation verticale selon l'invention. La Figure 2 est une vue de dessus, avec parties arrachées, de l'antenne de la Figure 1. La Figure 3 est un schéma illustrant partiellement l'antenne, avec parties arrachées, pour une première position angulaire des radians. La Figure 4, montre semblablement à la Figure 3, l'antenne pour une autre position des radians. La Figure 5 montre semblablement à la Figure 3 l'antenne avec encore une autre position de radians. Les Figures 6 à 11 illustrent l'évolution des lobes de rayonnement pour une antenne verticale classique demi-onde à effet de sol ne comportant pas de radians. Les Figures 12 à 14, enfin, illustrent l'évolution des lobes de rayonnement pour une antenne verticale demi-onde avec radians, selon l'invention, pour différents angles des radians avec le fouet de l'antenne à savoir 90 pour la Figure 12, 15 pour la Figure 13, et 135 pour la Figure 14. En se reportant aux dessins, notamment aux Figures 1 et 2, on peut voir une antenne 1 d'émission- réception d'ondes radio à polarisation verticale qui comprend un fouet vertical 2 muni, à sa base, d'une self de raccourcissement 3. Une embase isolante 4 est prévue pour le maintien du fouet 2 sur un mât 5 de support d'antenne. L'antenne 1 comporte en partie basse, c'est-à-dire juste au-dessous de l'embase isolante 4, et vers le sommet du mât 5, des radians 6 montés pivotants de manière que l'angle A entre un radian et le fouet 2 de l'antenne ( ou son prolongement constitué part le mât 5) soit réglable. Un moyen de commande C est prévu pour permettre de régler cet angle A. Dans l'exemple considéré, comme visible sur Fig. 2, huit radians 6 sont prévus, régulièrement répartis autour du fouet 2. Le nombre de radians peut être différent. Il est de préférence supérieur à trois et peut être étendu jusqu'à douze ou dix-huit. Un bon compromis "émission-réception et tenue au vent" est cependant réalisé avec l'exemple illustré de huit radians. Un radian est considéré, en radio-émission, comme la partie radiale du plan de terre artificiel conducteur rapporté à la base de l'antenne et toujours relié au point froid, c'est-à-dire à la masse de celle-ci. Le fouet 2 est la partie rayonnante verticale omnidirectionnelle, puisqu'à polarisation verticale dans le cas considéré. Chaque radian 6 est constitué par une tige 7 métallique, notamment d'aluminium, de section ronde par exemple de 10 mm de diamètre et formant un brin de radian. Ce brin 7 est monté, par exemple, par vissage sur l'extrémité filetée d'une tige de commande 8 par exemple10 en fer. Chaque tige 8 traverse radialement la paroi cylindrique d'un boîtier 9 fixé au sommet du mât 5, au-dessous du fouet 2, coaxialement à celui-ci. Le diamètre extérieur du boîtier 9 peut être de l'ordre de 30 cm pour une hauteur d'environ 20 cm. Le boîtier 9 est fermé par une paroi supérieure et une paroi inférieure. Le mât 5 a un diamètre de l'ordre de 40 mm. Chaque tige 8 est montée pivotante autour d'un axe de pivotement 10 orthogonal au fouet 2 et porté par la paroi cylindrique du boîtier 9. Le moyen de commande C de l'inclinaison de chaque radian 6 comprend un élément constitué par un coulisseau 11 engagé sur le mât 5 et traversant le fond du boîtier 9. L'extrémité supérieure du coulisseau 11 est reliée à l'extrémité radiale intérieure de chaque tige 8 par une biellette 12 et un cercle métallique 13 déformable élastiquement, par exemple de 5 cm de diamètre, servant de compensateur d'élongation et de raccourcissement du mouvement. Les mouvements verticaux du coulisseau 11 sont commandés par un moteur électrique 14 dont le bâti est fixé par une potence 15 sous le fond du boîtier 9. L'arbre de sortie du moteur 14 est orthogonal au mât 5 et entraîne un excentrique 16 qui est relié par une bielle 17 à un ergot 18 prévu vers l'extrémité inférieure du coulisseau 11, à l'extérieur du boîtier 9. Le moteur 14 est lui-même commandé à partir d'un pupitre situé à distance, et non représenté. Les angles A entre chaque radian 6 et le fouet de l'antenne 2 sont égaux et leurs variations sont commandées simultanément par les déplacements du coulisseau 11, de sorte que ces angles restent égaux entre eux. Le fonctionnement de l'antenne résulte des explications qui précèdent. En commandant la mise en marche du moteur 14 on provoque un déplacement vertical du coulisseau 11 et donc une modification de l'angle A formé entre les radians 6 et le fouet 2 de l'antenne, ou son prolongement. Ce système permet de changer à volonté et selon les conditions de propagation, l'angle de départ des ondes d'émission et d'obtenir des signaux radioélectriques largement supérieurs à un système fixe. On peut ainsi réaliser des liaisons radio qui, jusqu'alors, étaient difficiles ou impossibles à réaliser. L'exemple décrit prévoit une commande motorisée des radians 6. Il est clair, cependant, qu'une commande manuelle de l'angle A est tout à fait possible. La Figure 3 illustre partiellement l'antenne pour un angle A entre les radians 6 et le fouet 2 égal à 15 . La Figure 4 correspond au cas o l'angle A est égal à 90 . La Figure 5 correspond au cas o cet angle A est égal à 1350. Une expérimentation a été conduite. L'antenne a été installée à 9m audessus du sol, dans l'étude réalisée dans la gamme de fréquence de 27/28 Mh; la hauteur de 9m correspond à environ 0,85X, X étant la longueur d'onde (10-11m dans l'exemple envisagé) des ondes radio. Cette hauteur est importante car elle représente la majorité (de l'ordre de 80%) des installations d'antennes verticales. Pour que le fonctionnement des angles de tir variables ne soit pas perturbé, il importe de respecter cette distance car en dessous et audessus apparaissent des lobes de rayonnement non désirables comme illustré sur les Figures 6 à 14 qui sont des graphes des lobes de rayonnement dans un plan vertical, l'axe géométrique de5 l'antenne étant l'axe vertical. Les Figures 6 à 11l correspondent à une antenne verticale classique demi-onde, sans radians, dont la hauteur au-dessus du sol augmente progressivement de la Figure 6 à la Figure 11. La hauteur de la base de10 l'antenne au-dessus du sol est exprimée en longueur d'onde X correspondant à la fréquence de fonctionnement de cette antenne. Fig. 6 correspond à une hauteur de 0.25 X, Fig. 7 à une hauteur de 0.37 X, Fig. 8 à une hauteur de 0,5 y, Fig. 9 à une hauteur de 0.75 X, Fig. 10 à une hauteur de 0.85 X et Fig. 11 à une hauteur de 1 X. Pour l'émission, les lobes présentant un axe vertical comme dans le cas des Figures 7, 8, 10 et 11 sont moins favorables, car l'énergie rayonnée suivant l'axe vertical est quasiment perdue. Ces Figures 6 à 11 illustrent les variations de l'angle de tir obtenues, avec une antenne classique, en modifiant la hauteur de la base de cette antenne relativement au sol. Les Figures 12, 13 et 14 illustrent les lobes de rayonnement avec une antenne demi-onde conforme à l'invention dans laquelle l'angle A des radians avec l'axe du fouet est modifié, alors que la hauteur de l'antenne au-dessus du sol reste constante et égale à la valeur optimale de 0.85 k. Fig. 12 correspond à un angle A des radians avec le fouet de 90 ; Fig. 13 à un angle A de 15 et Fig. 14 à un angle A de 1350. Le point froid de l'antenne, c'est-à-dire la masse, est relié directement à la terre avec un conducteur électrique de forte section, par exemple 6 mm2, pour assurer un fonctionnement correct du plan de terre artificiel constitué par les radians. Cette mise à la terre constitue d'ailleurs un parafoudre protégeant les installations intérieures à l'habitation et peut être munie d'un éclateur. L'antenne de l'exemple décrit a été réalisée en résonance 1/2 d'onde. L'installation de radians à pas variable sur des antennes verticales de type différent, notamment du type /8 ou 7/8 d'onde, est cependant possible. Le système décrit est transposable à toute autre antenne verticale avec ou sans self de raccourcissement. L'invention permet d'accorder l'angle de départ des ondes électromagnétiques afin d'obtenir le meilleur gain en émission d'une station donnée et, selon le mode de transmission utilisé, en fonction de l'état d'ionisation des couches atmosphériques concernées ou de la propagation en tir direct ( portée optique). Les différences de signaux à puissance égale et à propagation identique peuvent dans certains cas être supérieurs à 24 dB, soit 4 points au S- mètre, par rapport à la même antenne verticale du type fixe conventionnel de l'art antérieur. Le système reste compatible avec tout système existant, pour un coût très modique. L'angle de rayonnement moyen favorable aux liaisons longues distances (DX), pour la bande 11 mètres, c'est-à-dire les fréquences 27/28 Mhz est en moyenne de degrés. Cet angle dépend de la hauteur à laquelle est installée l'antenne, de la conductibilité plus ou moins parfaite du sol, de la fréquence utilisée et de l'état de l'ionisation des couches E, F1, F2. Les variations de l'angle de départ ou de tir sont en liaison directe avec la portée maximale de l'antenne et dont voici le diagramme moyen pour la couche F2 (200 km à 420 km selon l'heure) et F1 (100 km environ selon l'heure). Angle de tir 0 5 10 15 20 30 35 40 F2 Portée km 4200 3000 2500 1800 1500 1000 850 720 en 1 bond F1 Portée km 1900 1360 1130 810 675 450 380 320 en 1 bond Il est aisé de constater que si, à un moment donné, la liaison avec un correspondant situé à 1 000 km est possible avec l'obtention d'un signal émission- réception de 3 sur le S-mètre avec une antenne classique dont l'angle est fixé à 10 degrés, alors que l'angle le plus favorable se situe autour de 30 degrés, il s'en suit une perte importante. L'alignement du lobe de rayonnement de l'antenne à angle variable selon l'invention résout ce problème, même si le correspondant ne possède pas le même type d'aérien, le S-mètre peut alors accuser une augmentation fort sensible de 7, c'est-à-dire 24 dB de plus. De même, l'angle de tir doit friser le 0 pour les liaisons directes, donc locales ( de 1 à 100/150 km selon la bande d'émission utilisée). La variation de cet angle avec le système de radians à pas variable est réalisable. L'antenne selon l'invention, à pas variable d'angle de tir, présente un énorme avantage en couvrant les zones d'ombre dont l'angle de tir est supérieur à 10 par élévation de l'angle de tir, et en portée directe par un abaissement à l'horizontale de cet angle de tir. Le montage des radians 6 à angle variable par rapport au fouet vertical 2 d'émission-réception, présente un avantage certain en ce qui concerne l'optimisation des résultats de radiocommunications à moyenne distance (320 à 4000 km), et relève d'excellentes performances en très longue distance, ainsi qu'en liaison directe (1 à 150 km). Il se pose un problème d'adaptation d'impédance, mais qui, dans la réalité pratique peut être ignoré car le Rapport d'Ondes Stationnaires (ROS ou TOS), n'excède pas 1,5/1,8, ce qui peut être considéré comme normal pour beaucoup, mais les perfectionnistes ajusteront le ROS à l'aide d'un coupleur manuel ou automatique à la station5 d'émission. REVEND I CATIONS 1. Antenne d'émission-réception d'ondes radio à polarisation verticale, avec un fouet vertical (2), caractérisée par le fait qu'elle comporte, en partie basse, au moins un radian (6) monté pivotant de manière que l'angle (A) entre ce radian et le fouet (2) de l'antenne soit réglable et qu'un moyen de commande (C) de l'inclinaison du radian est prévu pour permettre de régler cet angle (A) à volonté. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte, en partie basse, au moins trois radians (6) montés pivotants et un moyen de commande (C) de l'inclinaison de chaque radian pour permettre de régler l'angle de ce radian avec le fouet vertical (2) de l'antenne. 3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que le montage pivotant du radian est prévu pour permettre un réglage de l'angle (A) entre le radian et le fouet (2) de l'antenne sur une plage allant au moins de 15 à 1350. 4. Antenne selon la revendication 2 ou 3, caractérisée par le fait qu'elle comporte huit radians (6), régulièrement espacés. 5. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les angles d'inclinaison entre chaque radian (6) et le fouet (2) de l'antenne sont égaux. 6. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte, un moyen de commande (C) propre à agir simultanément et de la même manière sur les inclinaisons de tous les radians (6) de l'antenne relativement au fouet (2). 7. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que chaque radian (6) est monté pivotant autour d'un axe de pivotement (10) orthogonal au fouet (2) de l'antenne et écarté radialement de celui-ci, et le moyen de commande (C) est prévu pour modifier l'inclinaison des radians par déplacement vertical d'un10 élément (11) coaxial au fouet (2) de l'antenne et relié à chaque radian (6), en particulier relié à un prolongement (8) de ce radian radialement vers l'intérieur par rapport à l'axe de pivotement (10). 8. Antenne selon la revendication 7, caractérisée par le fait que le moyen de commande (C) comprend un moteur (14) entraînant un excentrique qui actionne une bielle de commande principale (17) agissant sur l'élément constitué par un coulisseau (11) cylindrique vertical, coaxial au fouet (2), auquel sont reliées des biellettes (12) qui transmettent, par des moyens (13) compensateurs d'élongation et de raccourcissement, le mouvement à des tiges de commande (8) des radians. 9. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que chaque radian (6) est constitué par une tige (7), en particulier d'aluminium, de section ronde fixée de manière démontable sur une tige de commande (8) montée pivotante autour d'un axe de pivotement (10) orthogonal au fouet de l'antenne, cet axe de pivotement (10) étant supporté par la paroi d'un boîtier (9) traversée sensiblement radialement par la tige de commande (8), ce boîtier (9) étant situé au bas du fouet (2) de l'antenne.