<Desc/Clms Page number 1>
BELL TELEPHONE MANUFACTURING COMPANY.
4, rue Boudewyns PERFECTIONNEHEMTS AUX SYSTEMES D'ANTENNES RADIOELECTRIQUES.
Cette invention fait l'objet d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 17 juillet 1944 au nom de Mr. Armig Ghevont KANDCIAN.
La présente invention se rapporte à des perfectionnements aux systèmes d'antennes radioélectriques.
On connaît des sytèmes d'antennes produisant des ondes de polarisation pratiquement pures dans le plan horizontal. On y parvient en dimensionnant l'antenne et en l'excitant de façon telle que les composantes a polarisation verticale d'une onde soient pratiquemant neutralisées dans toutes les directions à partir de l'antenne.
Les dispositions connues prévoient une antenne , radiatrice ou rêceptrice, n'exerçant d'action de rayonnement que dans le plan d'ondes polarisées donnant lieu à un diagramme pratiquement circulaire dansle plan de polarisation.
En d'autres termes , ces antennes ne sont -pas directives.
L'inventeur a constate qu'il est possible de conserver les principales caractéristiques de construction de telles antennes et, en même temps, de les exciter de façon telle que leur radiation présente un maximum dans une direction unique. En d'autres termes, on rend l'antenne directive.
<Desc/Clms Page number 2>
La 'présente invention a notamment pour but de modifie,- le 'type d'on tenne ci-dessus m stionné et connu de façon générale sous le nom de * cadre Alford " de manière à en obtenir un diagramme de radiation, non pas circulaire , mais directif dans une direction particulière, dans laquelle il présente une intensité de champ pratiquement uniforme.
L'invention a également pour but la constitution d'une antenne particulièrement adaptée à l'utilisation avec un réflecteur du type parabolique, la radiation de la dite antenne vers le réflecteur étant pratiquement uniforme et la radiation non réfléchie , dirigée directement à partir de l'antenne vers l'extérieur, à travers l'ouverture du dit réflecteur est réduite au minimum.
L'invention envisage également la constitution d'une antenne dirigée, d'émission ou de réception, dont le diagramme de radiation ou de réception peut être modifié par changement du point de liaison entre l'antenne et la ligne de transmission.
Dtautres buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit et à l'examen des dessins joints qui en fournissent , à titre d'exemple non limitatif , un mode de réalisation particulier. la figure 1 est une représentation schématique du type d'antenne connu, mentionné plus haut.- la figure 2 représente, vectoriellement, lescourants instantanés dans les branches de l'antenne de la figure 1.- la figure 3 représente schématiquement un système d'antenne conforme à la présente invention - la figure - est une représentation vectorielle , de principe, des courants instantanés dans les branches de l'anten@e de la figure 3.- la figure 5 se rapporte à l'emploi de l'antenne de la figure 3, en combinaison avec un réflecteur du type parabolique.
Dans le but de faciliter la compréhension du principe de l'invention, on se rapportera tout d'abord, pour compara-! son , à la figure 1 qui représente une antenpe du type du cadre Alford ", ci-dessus mantionné. Cette antenne peut se composer de quatre éléments radiateurs 2, 5, 4, et 6, couplés à un dispositif de transmission à haute fréquence 5, à travers les conducteurs 7, 8. Les éléments radiateurs 2, 5, 4 et5 ont été représentésincurvés et disposês de manière à
<Desc/Clms Page number 3>
former une circonférence pratiquement fermée .
L'extrémité de chaque élément est repliée vers l'intérieur , comme représenté en 9, 10,11 et 12, de sorte que, saule leur partie milieu est utilisée pour la radiation. L'organe de transmission à haute fréquence 6 est connecté au point milieu 13 des conducteurs 7,8 et la longueur électrique des dits conducteurs , qui constitue le diamètre du cercle formé par les radiateurs 2, 5,4 et 5, peut être approximativement de 45 , comme indiqué.
Les radiateurs 4 et 5 sont alimentés directement par l'organe de transmission à haute fréquence 6, à travers les conducteurs 7, 8 et les radiateurs 2, 3 sont alimentés à travers les conducteurs 8, 7 , transposés en 14. En conséquence le courant parcourt les radiateurs dans la direction indiquée par les flèches.
De plus, la distribution du courant étant égale dans chaque dès quatre segments constitués autour de la connexion centrale 13, et sa phase étant inverse dans les segments opposés, à cause de la transposition 14, la composante verticale du champ sera pratiquement éliminée dans toutes les directions et pour tous les angles du plan vertical, par rapport à l'antenne. Enfin, le courant dans les segments étant uniforme à un instant donné , le diagramme de radiation résultant sera pratiquement circulaire, comme indiqué en 15.
La figure 2 explique , par représentation vectorielle, la production du diagramme circulaire de radiation 15 par l'antenne 1. Pour l'explication de ces diagrammes vectoriels on supposera que deux conducteurs linéaires disposés côte à côte sont excités avec un déphasage mutuel de 180 , par des courants d'égale amplitude. Dans ces conditions , les champs produits par les courants dans les deux conducteurs tendent à se compenser l'un l'autre et la radiation résultante est pratiquement nulle.
Toutefois, lorsqu'on éloigne les conducteurs l'un de l'autre , la compensation complète ne se produit plus. Ceci est dû à ce qu'un certain intervalle de temps est nécessaire pour que l'énergie rayonnée par l'un des conducteurs parvienne à l'autre et à ce que pendant ce temps, l'énergie rayonnée par ce dernier s'est propagée à une certaine distance dans l'espace. Les deux champs de radiation ne sont,plus déphasés de 180 mais : présentent , au contraire, un déphasage dépendant de la distance entre les deux conducteurs, Avec le cadre de la forme que représenta la figure 1, on a supposé à titre d'exemple que les conducteurs sont écartés à une distance telle que l'énergie des champs qu'ils produisent soit
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
mutuellement déphas#de 4550.
Sur la figure 2a la radiation de chacun des segments 3 et 2 de la figure 1 est représentée par les vecteurs R3 et R22 respectivement. Comme ces segments sont alimentés à partir d'un point commun 13, équidistant de chacun d'eux , la transposition 14 est cause que les courants dans les dits segments
EMI4.2
sont déphasés de 180 entre eux.
Si leaoegments 3 et 2 étaient superposés dans l'espace, ou, en d'autres ternies, si le diamètre de la circonférence formée par les segments 2,3, 4 et 5 était pratiquement nul, la radiation des segments 3 et
EMI4.3
2 SEl1'si représentée par les vecteurs R et R' , de longueur égale, à cause de l'égalité d'amplitude des courants de sens inverses, à cause du déphasage de o 180 . * tuais , comme les segments 3 et2 sont séparés en leurs points milieux par une distance approximativement égale à 45 électriques, l'énergie rayonnée de 2 vers 3 est retardée de 45 par rapport à l'énergie rayonnée de 3, si l'on consi- dère une direction de radiation pratiquement radiale à partir de 3 vers l'exté-
EMI4.4
rieur.
Cette radiation R;':; retardée en phase a été représentée en J12, à la fig. 2a ; le déphasage en arrière est indiqué par la rotation du vecteur dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et le déphasage en avant, par sa rotation dans le sens des aiguilles d'une montre.
Dans la direction opposée , la phase de l'énergie rayonnée de3 vers 2
EMI4.5
est déphasée de i5 en arrière par rapport à l'énerbie rayonnée de ,: vers l'extérieur, COi;.],e indiqué à la figure :0. La valeur effective de l'énergie totale rayonnée par - dans la dite direction opposée est représentée par le vecteur
EMI4.6
soBi!..e de R 2Jt de R et de R' . De même aux figures 2b et ;.d, l'énergie totale rayonnée Il partir des segments 4 et b est representée par les vecteurs R et
54, R , respect! voilent. Il est à noter que :
EMI4.7
;:.;\, ,).;' 4J t iJ Ll = R - R =R c'est à dire que la valeur effective de l'énergie rayonnée par les segments de l'antenne 1 est pratiquement égale et produit le diagramme de radiation circulaire 13.
EMI4.8
Conformé:19nt à la présente invention , les serments choses Zet 3 d'une part, 4 et 5 d'autre part, au lieu d'être excités par des courants déphasés de 180 sont Bxcités par des courants dont la phase est déterminée par la distance
<Desc/Clms Page number 5>
électrique existant entre le point de connekion entre l'appareil de transmission à haute fréquence 6 et les conducteurs 7 et 8 d'une part et le centre géométrique de la circonférence radiatrioe, d'autre part. A la figure 3, l'appareil de trans- mission à haute fréquence 6 est relié aux conducteurs 7,8, non pas au centre 13, comme c'était le cas à la figure 1, mais bien plutôt en un point 13' lequel, à titre d'exemple , a été représenté à 15 degrés électriques du centre de la dite circonférence.
L'effet de ce décentrage de connexion sur la caractéristique de radia- tion de l'antenne 1 est indiqué par les diagrammes vectoriels de la figure 4. A la figure 4a, par exemple, le vecteur R 3 représentantla radiation normale du segment 5 et correspondant au vecteur R3 de la figure 2a a subi une rotation de 15 en sens inverse des aiguilles d'une montre, et occupe la position R . Ceci résulte de ce que le courant allant au segment3àpartir du point 13'met 15 de- grés électriques de temps en plus pour parvenir au segment 3 que le courant issu du point 13, à la figure 1. En d'autres termes , le dit courent est ici déphasé en arrière de 15 .
Nais, en ce qui concerne le segment 2, le fait de transporter la con- nexion d'entrée du point 13 au point 13' est cause que le courant atteint le seg- ment 2 plus rapidement , vu la distance plus courte à franchir . Ceci équivaut à un déphasage de 15 en avant du courant dans le segment ;2 par rapportau courant
2' original correspondant de la figure 1.
A la figure 4a, le vecteur R, représen- tant la radiation du segment 2 qui parvient au segment 3 avec un retard de 45 , comme indiqué à la figure 2a, est maintenant déphasé en avant de 15 (rotation dans le sens des aiguilles d'une montre) sur sa valeur représentée à la figure 2a et il occupe la position R2' déduite de R3' et R2' est notablement plus court que
32' le vecteur R de la figure 2a, ce qui indique que la valeur effective de la radiation àla figure 4a est inférieure à la valeur correspondance de la figure 2a, A la figure 40 , on a représenté la radiation R2'.
La radiation du seg- ment 5 est dêphaséede 15 en arrière , en plus de son retard original de 45 pro- duit, conformément à la figure 1, par l'espacement des organes radiateurs, En d'autres termes, le vecteur R3'a été soumis à une rotation en sens inverse des
<Desc/Clms Page number 6>
3" aiguilles d'une montre, jusqu'à la position R3". La résultante de R et de R , qui est le vecteur R 2'3'' indique que la valeur effective de l'énergie rayonnée est maintenant supérieure à celle rayonnée conformément à la figure 1 et représen- tée à la figure Ec,
Le vecteur résultant R4'5" est représenté à la figure 4b comme à peu près de même grandeur que R 3'2'' à la figure 4a.
De même , à la figure 4d, le vec- teur R5'4" est approximativement égal au vecteur R2'3" de la figure 4c.
Toutes ces dispositions concourent pour produire un diagramme de radia- tion directionnelle de forme pratiquement analogue à celle representée en 15 .
Bien entenau , on peut faire varier le forme de ce diagramme en modifiant la dis- , tance électrique entre le point 13 et le centre de la circouference. D'autre part, le diagramme peut être inversé en ce qui concerne sa direction, si l'on relie l'organe transmetteur à haute fréquence 6 aux conducteurs 7, 8 du côté du centre oppose à celui représente.
Bien que la disposition que représente la figure 3 puisse être utilisée, conformément à l'invention, lorsqu'on désire donner à l'antenne des caractéris- tiques directionnelles, la dite disposition s'adapte particulièrement bien à son utilisation en combinaison avec un réflecteur. Il est alors avantageux d'éliminer la radiation directement émise vers l'extérieur dans la direction opposée à celle où se trouve le réflecteur . Confie l'indique la figure 5, l'antenne 1 est dis- posée approximativement au centre d'un réflecteur parabolique 16. Par suite des caractéristiques de radiation de l'antenne , telles qu'indiquées par le diagramme 15' , , la/raltion de l'antenne est maximum vers la surface du réflecteur et mini- mum dans la direction opposée.
On améliore ainsi notablement à la fois l'intensi- té et la directivité du faisceau résultant.
Bien que les éléments radiateurs z, 3,4, et 5 de la figure 3, aient été représentés incurvés en forme de segments de circonférence, ils peuvent évidem- ment revêtir toute autre forme, telle que celle linéaire indiquée à la figure 5.
De même, on peut substituer à la transposition 14 d'autres moyens d'inversion de la phase des courants dans les éléments radiateurs opposés. Enfin, on remplaçant l'organe transmetteur à hauts fréquence 6 par une impédance de charge, on peut utiliser l'antenne 1, non plus pour l'émission , mais pour la réception.
<Desc/Clms Page number 7>
D'une façon générale , il doit être bien entendu que, bien que l'invention ait été décrite et représentée dans son application à un système d'antenne particulier, ceci n'exclut nullement les nombreuses variantes d'utilisation dont la dite invention peut être l'objet comme il apparaîtra normalement à tout homme de l'art.
<Desc / Clms Page number 1>
BELL TELEPHONE MANUFACTURING COMPANY.
4, rue Boudewyns PERFECTIONNEHEMTS TO RADIOELECTRIC ANTENNA SYSTEMS.
This invention is the subject of a patent application filed in the United States of America on July 17, 1944 in the name of Mr. Armig Ghevont KANDCIAN.
The present invention relates to improvements to radio antenna systems.
Antenna systems are known which produce practically pure polarization waves in the horizontal plane. This is accomplished by dimensioning the antenna and energizing it such that the vertically polarized components of a wave are practically neutralized in all directions from the antenna.
The known arrangements provide for an antenna, radiating or receiving, exerting a radiation action only in the plane of polarized waves giving rise to a practically circular pattern in the plane of polarization.
In other words, these antennas are not directives.
The inventor has found that it is possible to retain the main construction characteristics of such antennas and, at the same time, to excite them in such a way that their radiation exhibits a maximum in a single direction. In other words, the antenna is made directive.
<Desc / Clms Page number 2>
The object of the present invention is in particular to modify, - the type of antenna mentioned above and generally known under the name of "Alford frame" so as to obtain a radiation diagram, not circular. , but directive in a particular direction, in which it exhibits a practically uniform field strength.
The object of the invention is also to constitute an antenna which is particularly suitable for use with a reflector of the parabolic type, the radiation from said antenna towards the reflector being practically uniform and the radiation not reflected, directed directly from the reflector. The antenna to the outside, through the opening of said reflector is reduced to a minimum.
The invention also envisages the constitution of a directed antenna, transmission or reception, the radiation or reception pattern of which can be modified by changing the connection point between the antenna and the transmission line.
Other objects and advantages of the invention will become apparent on reading the following description and on examining the accompanying drawings which provide, by way of nonlimiting example, a particular embodiment thereof. FIG. 1 is a schematic representation of the known type of antenna, mentioned above; FIG. 2 represents, vectorially, the instantaneous currents in the branches of the antenna of FIG. 1. - FIG. 3 diagrammatically represents a system of antenna according to the present invention - the figure - is a vectorial representation, in principle, of the instantaneous currents in the branches of the antenna of figure 3. - figure 5 relates to the use of the antenna of FIG. 3, in combination with a reflector of the parabolic type.
In order to facilitate understanding of the principle of the invention, reference will be made first of all, for comparison! sound, in Figure 1 which shows an antenna of the type of the Alford "frame, mentioned above. This antenna may consist of four radiator elements 2, 5, 4, and 6, coupled to a high frequency transmission device 5 , through the conductors 7, 8. The radiator elements 2, 5, 4 and 5 have been shown curved and arranged so as to
<Desc / Clms Page number 3>
form a practically closed circumference.
The end of each element is folded inwards, as shown at 9, 10, 11 and 12, so that their middle part is used for radiation. The high frequency transmission member 6 is connected to the midpoint 13 of the conductors 7,8 and the electrical length of said conductors, which constitutes the diameter of the circle formed by the radiators 2, 5,4 and 5, can be approximately 45, as shown.
The radiators 4 and 5 are supplied directly by the high frequency transmission member 6, through the conductors 7, 8 and the radiators 2, 3 are supplied through the conductors 8, 7, transposed into 14. Consequently, the current runs through the radiators in the direction indicated by the arrows.
In addition, the distribution of the current being equal in each from four segments formed around the central connection 13, and its phase being reversed in the opposite segments, because of the transposition 14, the vertical component of the field will be practically eliminated in all the directions and for all angles of the vertical plane, relative to the antenna. Finally, since the current in the segments is uniform at any given time, the resulting radiation pattern will be almost circular, as shown at 15.
Figure 2 explains, by vector representation, the production of the circular radiation diagram 15 by the antenna 1. For the explanation of these vector diagrams it will be assumed that two linear conductors arranged side by side are excited with a mutual phase shift of 180, by currents of equal amplitude. Under these conditions, the fields produced by the currents in the two conductors tend to compensate for each other and the resulting radiation is practically zero.
However, when the conductors are moved away from each other, full compensation no longer occurs. This is because a certain time interval is needed for the energy radiated by one of the conductors to reach the other and during this time the energy radiated by the latter has propagated at a certain distance in space. The two radiation fields are no longer phase-shifted by 180 but: present, on the contrary, a phase shift depending on the distance between the two conductors, With the frame of the form shown in figure 1, it is assumed by way of example that the conductors are spread at such a distance that the energy of the fields they produce is
<Desc / Clms Page number 4>
EMI4.1
mutually out of phase # 4550.
In FIG. 2a, the radiation of each of the segments 3 and 2 of FIG. 1 is represented by the vectors R3 and R22 respectively. As these segments are supplied from a common point 13, equidistant from each of them, the transposition 14 is the cause that the currents in said segments
EMI4.2
are 180 out of phase with each other.
If the segments 3 and 2 were superimposed in space, or, in other words, if the diameter of the circumference formed by segments 2, 3, 4 and 5 was practically zero, the radiation of segments 3 and
EMI4.3
2 SEl1'si represented by the vectors R and R ', of equal length, because of the equal amplitude of the currents in opposite directions, because of the phase shift of o 180. * killed, as segments 3 and 2 are separated at their midpoints by a distance approximately equal to 45 electric, the radiated energy from 2 to 3 is delayed by 45 compared to the radiated energy by 3, if we consider - derives a practically radial direction of radiation from 3 outwards -
EMI4.4
laughing.
This radiation R; ':; delayed in phase has been shown at J12, in FIG. 2a; the backward phase shift is indicated by the rotation of the vector counterclockwise and the forward phase shift by its clockwise rotation.
In the opposite direction, the phase of energy radiated from 3 to 2
EMI4.5
is out of phase by i5 backwards with respect to the energy radiated from,: outwards, COi;.], e indicated in the figure: 0. The effective value of the total energy radiated by - in the said opposite direction is represented by the vector
EMI4.6
soBi! .. e of R 2Jt of R and of R '. Likewise in Figures 2b and; .d, the total radiated energy Il from segments 4 and b is represented by vectors R and
54, R, respect! veil. It is to highlight that :
EMI4.7
;:.; \,,) .; ' 4J t iJ Ll = R - R = R i.e. the effective value of the energy radiated by the segments of antenna 1 is practically equal and produces the circular radiation pattern 13.
EMI4.8
In accordance with the present invention, the things Zet 3 on the one hand, 4 and 5 on the other hand, instead of being excited by currents out of phase by 180 are excited by currents whose phase is determined by the distance
<Desc / Clms Page number 5>
electric existing between the point of connekion between the high frequency transmission apparatus 6 and the conductors 7 and 8 on the one hand and the geometric center of the radiating circumference, on the other hand. In figure 3, the high frequency transmission apparatus 6 is connected to the conductors 7,8, not at the center 13, as was the case in figure 1, but rather at a point 13 'which , by way of example, has been shown at 15 electrical degrees from the center of said circumference.
The effect of this connection off-centering on the radiation characteristic of antenna 1 is indicated by the vector diagrams of figure 4. In figure 4a, for example, the vector R 3 representing the normal radiation of segment 5 and corresponding to the vector R3 of FIG. 2a has undergone a rotation of 15 in the direction of anti-clockwise, and occupies the position R. This results from the fact that the current going to segment 3 from point 13 ′ takes 15 electrical degrees longer to reach segment 3 than the current coming from point 13 in FIG. 1. In other words, the said run here is out of phase back by 15.
However, with regard to segment 2, carrying the input connection from point 13 to point 13 'causes the current to reach segment 2 faster, given the shorter distance to be covered. This is equivalent to a phase shift of 15 ahead of the current in the segment; 2 from the current
2 'corresponding original of Figure 1.
In figure 4a, the vector R, representing the radiation from segment 2 which arrives at segment 3 with a delay of 45, as shown in figure 2a, is now out of phase forward by 15 (clockwise rotation d 'a watch) on its value shown in figure 2a and it occupies the position R2' deduced from R3 'and R2' is notably shorter than
32 ′ the vector R of FIG. 2a, which indicates that the effective value of the radiation in FIG. 4a is less than the corresponding value of FIG. 2a, In FIG. 40, the radiation R2 ′ has been represented.
The radiation from segment 5 is out of phase by 15 back, in addition to its original delay of 45 produced, according to figure 1, by the spacing of the radiator members. In other words, the vector R3'a been subjected to a reverse rotation of the
<Desc / Clms Page number 6>
3 "clockwise, to position R3". The resultant of R and of R, which is the vector R 2'3 '' indicates that the effective value of the radiated energy is now greater than that radiated in accordance with figure 1 and represented in figure Ec,
The resulting vector R4'5 "is shown in Figure 4b as about the same magnitude as R 3'2" in Figure 4a.
Likewise, in Figure 4d, the vector R5'4 "is approximately equal to the vector R2'3" of Figure 4c.
All of these arrangements work together to produce a directional radiation diagram of a shape practically analogous to that shown at 15.
Of course, we can vary the shape of this diagram by modifying the electrical distance between point 13 and the center of the circumference. On the other hand, the diagram can be reversed with regard to its direction, if one connects the high frequency transmitting member 6 to the conductors 7, 8 on the side of the center opposite to that represented.
Although the arrangement shown in FIG. 3 can be used, in accordance with the invention, when it is desired to give the antenna directional characteristics, said arrangement is particularly suited to its use in combination with a reflector. . It is then advantageous to eliminate the radiation directly emitted to the outside in the direction opposite to that in which the reflector is located. As shown in Figure 5, the antenna 1 is placed approximately in the center of a parabolic reflector 16. As a result of the radiation characteristics of the antenna, as indicated by diagram 15 ',, the / The height of the antenna is maximum towards the surface of the reflector and minimum in the opposite direction.
Both the intensity and the directivity of the resulting beam are thus significantly improved.
Although the radiator elements z, 3, 4, and 5 of FIG. 3 have been shown curved in the form of segments of circumference, they can of course take any other form, such as the linear one shown in FIG. 5.
Likewise, it is possible to substitute for the transposition 14 other means for inverting the phase of the currents in the opposite radiator elements. Finally, replacing the high-frequency transmitter 6 by a load impedance, the antenna 1 can be used, no longer for transmission, but for reception.
<Desc / Clms Page number 7>
In general, it must be understood that, although the invention has been described and shown in its application to a particular antenna system, this in no way excludes the numerous variants of use of which said invention can. be the object as it will normally appear to any skilled in the art.