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Bal TELEPHONE WlUPAC1URING CO1J'ANY
PEFFECTIONNEMENTS AUX SYSTEMES D'ANTENNES RADIO- ELECTRIQUES .
La présente invention est relative à des perfectionnements aux systèmes d'antennes radio-électriques. Elle a pour bur princi- pal l'obtention d'un système d'antenne pour utilisation à de très hautes fréquences, par exemple de loo à 15o mégacycles, comportant une caractéristique amplitude fréquence pratiquement aplatie sur une large bande de fréquence de l'ordre de 20% de part et d'autre de la fréquence moyenne.
Selon l'un des aspects de l'invention, un système d'antenne
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d'inpédance pratiquement constante sur une large bande de foecti- onnement de très haute fréquence, comporte une antenne comprenant un cylindre conducteur creux érigé verticalement au-dessus du sol
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mais isolé de celui-ci et (j'une longueur physique comprise entre le quart et la moitié de la longueur d'onde moyenne de fonctionnement et résonnant en demi-onde à la fréquence moy- enne de fonctionnement, un conducteur central qui traverse le- dit cylindre creux, l'ensemble formant un tronçon de ligne con- centrique et des organes pour accorder ledit troncon en réson- nance à la fréquence moyenne de fonctionnement, une ligne de transmission de préférence blindée,
assurant le couplage de ladite antenne avec un appareil de transmission et un trans- formateur d'impédance sous forme de ligne quart d'onde sensib- lement à ladite fréquence moyenne assurant le couplage de la- dite antenne avec ladite ligne de transmission.
Selon un autre aspect ce l'invention, un système d'anten- ne radio-électrique dipôle d'une impedance pratiquement con- stante sur une large bande de fonctionnement de très haute fré- quence comporte une antenne dipôle comprennant deux cylindres conducteurs creux ayant chacun une longueur physique comprise entre le quart et la moitié de la longueur d'onde moyenne de fonctionnement et résonnant en demi-once à la fréquence moyen- ne de fonctionnement, des conducteurs centraux qui traversent les cylindres creux respectifs, l'ensemble formant des tran- cons de ligne concentriques et des organes permettant d'accor- der lesdits troncons en résonnance à la fréquence moyenne de fonctionnement,
une ligne de transmission de préférence blin- dée assurant le couplage de l'antenne avec un appareil de - transmission et un transformateur d'impédance sous forme de - ligne quart d'onde sensiblement à ladite fréquence moyenne assurant le couplage de ladite antenne avec ladite ligne de transmission.
L'extrémité inférieure de l'antenne verticale est de préférence conique, son diamètre diminuant en se rapprochant
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du sol et les extrémités intérieures des éléments cylindriques du dipôle sont de préférence également coniques, les sommets des cônes étant dirigés l'un vres l'autre. La longueur physique de l'antenne verticale ou de chacun des éléments du dipôle accordée à la résonnance en demi-onde est comprise entre le quart et la moitié de la longueur d'onde moyenne de fonctionnement.
Une antenne conforme à certaines caractéristiques de l'inven- tion est effectivement alimentée à partir de l'extrémité conique, étant donné que les ondes decendent à l'intérieur des cylindres depuis l'extrémité cylindriçue, et le long de l'extérieur du cy- indre depuis l'extrémité conique au cours de laradiation. Dans une antenne de réception, l'action inverse se produit.
L'impédance caractéristique de la partie conique de l'antenne est de préférence du même ordre que l'impédance caractéristique de la partie cylindrique, le but principal de l'extrémité conique étant d'éviter l'irrégularité de la capacité inhérente à des ex- trémités de section importante rapprochées l'une de l'autre au point d'alimentation et d'assurer dans la partie efficace du système d'antenne exempte d'effets de shunt capacitaire excessifs une alimentation réguliére.
On utilise une antenne de faible impédance caractéristique de manier'* à maintenir peu élevée la résistance de radiation ter- minale, et une ligne de transmission d'impédance caractéristique relativement élevée(surtout si l'on désire employer une ligne blin- dée) de manière à réduire le rapport de transformation d'impédance et à pouvoir utiliser une ligne quart d'onde transformatrice d'im- pédance pour coupler l'antenne à la ligne de transmission.
L'anten- ne est accordée en série sur toute la bande de fréquence à l'aide d'éléments-série accordés de valeur appropriée montés en sérieavec l'antenne, ce qui permet d'utiliser avantageusement le fait que la réactance d'une antenne demi-onde varie en sens invers de la fré-
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quence en passant par la résonnence, à la manière d'un cir- cuit accordée en série composé d'une self-inductance et d'un condensateur montés en série.
L'accord en série de l'antenne sur-toute la bande de fré- quence peut être suffisanment approche pour que l'antenne puisse être considérée courte unerésistance pratiquement pure variant avec la fréquence selon un loi représentée par une courbe uniforme dont le maximum vers le milieur de la banue de fonctionnement est sensiblement deux fois plus élevé qu'aux extrémités de ladite bande. Le problème de couplage de l'an- tenne à une ligne de transmission se réduit à l'adaptation de l'impédance caractéristique de laàite ligne de transmission à celle de ladite résistance pure variant de la manière indiqqée.
Si Zo est l'impendance caractéristique de la ligne alimen tée, un transformateur adapteur d'impédance quart onde dont 1' impédance est RZ , R étant la résistance moyenne de l'antenne sur la bande de fréquence, donne un déséquilibre d'impédance entre l'antenne et la ligne de l'ordre de 5/4 c'est à dire de l'ordre de o,2 décibel. Un tel élément de coplage est peu en- combrant et, par un léger excès de compensation de la réactan- ce de l'antenne demi-onde vue de sa base, la faible réactance introduite par l'écart du transformateur d'adaptation à par- tir du quart de longueur d'onde dans la bande d'accord peut être largement composée.
Par excès de compensation, il faut entendre l'intoduction d'une réactance en série supérieure à celle nécessaire à la neutralisation de la réactance de l'antenne dans la bande de fréquence de fonctionnement. Une telle ligne de couplage quart d'onde transformatrice d'impé- dance convient donc au couplage de l'antenne avec une ligne de transmission blindée, avec un élément de couplage de ce type, les pertes aux extrémités de la bande de fréquence
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sont d'autant plus faible que le rapport de transformation d'impé- ance est plus petit.
lin tel élément de couplage présente également des avantages mécaniques, étant donné ni'il est très peut encombrant, rigide et simple et peut être perte avec l'antenne à l'extrémité d'une ligne de transmission de grande longueur alors qu'un élément de couplage théoriquement plus parfait implique un certain nombre de condensa- teurs et de self-inductances et est compliqué et volumineux et n'offre qu'une faible supériorité de fonctionnement par rapport à la;ligne de transmission quart d'onde ordinaire.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins joints qui représent- ent, à titre d'exemples non limitatifs, quelques modes de réalisa- tion pratique de l'invention.
La figure 1 représente un système d'antenne conforme à l'inven- tion utilisant une antenne non équilibrée par rapport au potentiel de la terre.
La figure 2 représente un système d'antenne conforme à l'invention utilisant une antenne dipôle ou équilibrée et une ligne de trans- mission disposée transversalement.
La figure 3 représente un dispositif de support pour le système d'antenne représenté à la figure 2.
Les figures 4, 5 et 6 représentent un système d'antenne dipôle conforme à la invention avec ligne de transmission coaxiale avec l'antenne dipôle. Les figures 5 et o sont des vues partielles re- présentant des connexions modifiées permettant l'utilisation du système respectivement avec une ligne de transmission concentrique et avec une ligne de transmission bifilaire.
Les figures 7 et 8 représentent des dispositifs de support p pour les systèmes d'antennes du type représenté aux figures 4,5 et 6.
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Sur toutes les figuers, les parties analogues portent les mies chiffres de référence. la figtire 1, le chiffre de référence 1 indique le cy- lindre conducteur creux fermé à la partie supérieure 2 et comportant une extrémité inférieure conique 3 amincie en di- rection de la terre ou de la plaque de terre représentée en 4.
L'antenne est enfermée dans un boîtier tubulaire isolant 5 dans lequel elle est maintenue en position au moyen d'un man- chon de support 6 qui peut être, par exemple, de polystroléne, ledit manchon étant situé approximativement au noeud de ten- sion sur le cylindre 1. Ledit boîtier tubulaire est porté di- rectement par la plaque de terre 4 mais maintient l'antenne 1 isolée de la terre. Le coducteur central est représenté en 7; il est relié à son extrémité supérieure à l'extrémité fer- mée 2 du cylindre conducteur creux 1 et traverse l'extrémité inférieure conique ou l'on peut utiliser, si cela est néces- saire, un isolateur de centrage de faible capacité. Le chifé- re 8 indique la ligne de transmission pour connexion avec un appareil de transmission.
La ligne quart d'onde transformatri- ce d'impédance est indiquée en lo et relie la ligne de trans- mission 8 à l'antenne 1.
Le conducteur creux cylindrique 1 a une longueur physi- que inférieure à la moitié de la longueur d'onde moyenne de fonctionnement. L'ensemble du conducteur central 2 et du con- ducteur creux 1 fermé à son extrémité supérieure constitue un tronçon de ligne concentrique court-circuités ayant une lori- gueur électrique comprise entre le quart et la moitié de la longueur d'onde moyenne de fonctionnement.
Ledit troncon est est accordé en résonnance approximativement à la fréquence moyenne de la bande de fonctionnement en accordant en paral- lèle l'extrémité supérieure fermée du troncon au moyen d'un
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Condensateur ajustable 11 disposé à l'intérieur de l'élément cy- lindrique creux 1 et monté aux bornes du conducteur central et uuuit élément cylindrique à une distance des deux extrémités n'excédant pas le quart de la longueur d'onde moyenne de fonctionnement.
Ledit condensateur peut comporter une plaque sur l'extrémité d'une tige conctrice 12 qui traverse diamétralement le tube pour assurer un contact électrique avec ledit tube et traverse également le manchon 6 de telle manière qu'en agissant sur ledite tige on puisse ajuster la capacité et connecter en même temps le condensateur en parallèle sur le tube.Le condensateur accorae en même temps en série l'extre mité inférieure ouverte du tronçon sur la fréquence moyenne de fonctionnement et, de cette manière, rend nulle l'impédance aux bornes de l'extrémité ouverte ou inférieurs du troncon ou de l'an- tenne à la fréquence moyenne da fonctionnement.
La position dudit condensateur peutétre utilisée pour rendre la caractéristique de réacinece aux bornes de L'extrémité ouverte du troncon très dissymétrique pour une fréquence voisine ce la fre- quence moyenne de fonctionnement dans une mesure suffisante pour s'adapter à la caractéristique de réactànce de l'antenne dissymé- trique à la fréquence moyenne de fonctionnement.
L'impédance caractéristique du trncon est choisie, par exemple en établissant un diamètre convenable du conducteur central,telle que la réactance vue à travers son extrémité ouverte soit égale et de sens opposé à la base ce l'antenne, c'est à dire à celle de l'clé ment cylindrique creux seul, pour des fréquences voisines des li- mites extrêmes de la bande de fréquence de fonctionnement.
En fait, un simple conducteur rectiligne ouvert d'une longueur égale au quart de la longueur d'onde moyenne de fonctionnement ou une extrémité de troncon ouverte accordée en résonnance série quart d'onde à la fréquence moyenne de fonctionnement dans le cylindre assure le couplage de l'antenne avec la ligne de transmission et un
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degré suffisant de compensation de la réactance, mais les va- riations de réactance qu'on peut obtenir par ce moyen sont moins importantes que dans la forme préférée représentée à la figure 2. En outre, les constantes du circuit ont des valeurs incommodes et le système n'est pas aussi satisfaisant au point de vue mécanique que laaite forme préférée.
Le boîtier isolant 5 assure autour de l'antenne un espace protégé contre les variations des conditions atmosphériques et celles-ci ont sur le fonctionnement de l'antenne un effet réduit et plus uniforme dans la bande de fréquence de fonctionnement que dans le cas d'une antenne non blindée.
11 y a lieu de noter que le transformateur d'adaptation unique lo peut être remplacé par deux transformateurs d'adap- tion en série d'impédances caractéristiques respectives Z1 et Z2TELs que R, z1 z2,z2,z2 et Zo soient en progression géo- métrique, R étant la résistance moyenne de l'antenne et z0 l'impédance caractéristique de la ligne de transmission. Ce' dispositif présenterait une légère amélioration de fonction- nement par rapport au transformateur unique.
-Sur la figure deux, une antenne dipôle comprend deux élé- ments tels que décrits relativement à la figure 1 disposée de telle manière que leurs extrémités coniques 3 et 3' soient adjacentes et la ligne de transmission comprend deux lignes de transmissions coaxiales,mais peut être une ligne de transmis- sion bifilaire blindée, amenée horizontalement aux deux extré- mités coniques des cylindres conducteurs creux. Chaqune des- dites lignes est reliée au conducteur central respectif 7 ou 7' des deux éléments à travers une ligne quart d'onde trans- formatrice d'impédance 1o ou 1o d'impédance caractéristique convenable telle que décrite relativement à la figure 1.
(il va de soi que les lignes blindées sont recommandées ici
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pour des montages tels que, par exemple, des installations pour les navires mais on peut utiliser uneligne de transmission équilibrée non blindée).
Les ceux cylindres diélectriques 5 et 5' peuvent être relit ensemble, ct l'antenen peut être suspendue par lesdits cylindres à un câble de retenue 13, comme représenté à la figure 3 ou fixée au sonnet d'un mat en bois.
Une petite longueur de conducteur 14 peut être laissée entre le transformateur eu couplage lo et le conducteur central 7 (fi- gure 1) ou les conducteurs 7 et 7'(figure 2), cette longueur com- pensant un décalage éventuel de l'accord du condensateur à partir de la position optimum lequel décalage compense lui-même la dissy- métrie de la caractéristique de réactance de l'antenne.
La ligne ce transmission équilibrée ou bifilaire blindée a une impédance caractéristique élevée et sa combinaison avec une antenne de faible impédance caractéristique se traduit par un rapport de transformation d'impédance faible et un meilleur équilibrage entre l'antenne et la ligne de transmission comme souligné ci-dessus.
Etant donné que l'antenne dipôle est équilibrée lorsque ses deux parties sont alignées, si la ligne de transmission sort perpendi- culairement à l'antenne, elle est au potentiel de la terre et il n'est pas nécessaire d'utiliser un dispositif de suppression des ondes stationnaires sur le blindage extérieur de la ligne de trans- mission. Cette derière particularité est d'une grande valeur lors- que l'antenne doit fonctionner sur une large bande de fréquence et fait de l'antenne dipôle décrite la meilleure et la plus simple antenne équilibrée, en ce qui concerne le fonctionnement sur toute la bande de fréquence.
Il est possible d'alimenter l'antenne dipôle au moyen d'une simple ligne de transmission non équilibrée, mais, en raison de l'augmentation du rapport de transformation d'impédance, il se pro-
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duit alors un accroissement d'environ 0,1 décibel dans le déséquilibre aux fréquences frontières de la bande et il est alors nécessaire d'utiliser un dispositif de suppression d'on- des stationnaires à l'extérieur de la ligne de transmission.
Lorsque l'antenne dipôle est alimentée par une ligne ue transmission alignée avec l'antenne convie represonté aux fi- ,ures @ 5 et 6(plutôt que par une ligne transversale au di- pôle, corre la fig.2) le transformteur d'impédence decoup- lage lo est dispose intérieuremert à la élément cylindrique d'où part la ligne,c'est à cire celui occupant la position inférieurs sur les fig.
, 5 et 6 de sorte que l'extrémité inférieure primitivement fermée est alors ouverte et qu'il est nécessaire (''établir un court-circuit entre le conduc- teur extérieur du transformeteur d'impédance sous forme de ligne quart ('once et l'élément cylindrique creux à une dis- tance de l'extrémité conique ouverte dudit élément cylindri- que telle qu'on obtienne un tronçon formé ('un quart d'once à la friquence moyenne de fonctionnement ce manière à sup- primer les ondes stationnaires sur ledit conducteur extéri- eur du transformateur d' iripéeance et de la ligne de trans- mission.
Ledit court-circuit est représenté sous la forme d'un disque conducteur 15 comportant er. son milieu une ouver- ture permettant le passade du conducteur central Le conducteur central de la ligne transformatrice quart d'on- de dans le cas d'une ligne concentrique (figures 4 et 6) ou l'un des conducteurs dans le cas d'une ligne bifilaire (figure 5) est relié au conducteur central 7 de 1'élétttent cylindrique supérieur.
Fans le cas de la ligne bifilaire (fig. 5) le second fil est relié à la partie extérieurs de l'élément cylindrique inférieur 1' comme indiqué en 16 et, dans le cas de la ligne coaxiale (fig. 4 et 6) le conducteur
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,extérieur du transformateur quart d'onde est relié au sommet (le l'extrémité conique de l'élément cylindrique inférieur l' comme indiqué en 17 (figures et 6).
En ce qui concerne la suppression (es ondes stationnaires sur le conducteur extérieur ou blindage (le la ligne de transmission, une antenne de faible imprdance caractéristique est plus avanta- geuse, étant donné qu'elle permet la construction C'un troncon de suppression d'une impédance relativement (.levée. fin raffinement consiste à relier les tronons de suppression accordes sur des fre- çuences situées respectibement au 1/b et aux 5/6 de la bance de fré- r;
uence en des points de la ligne d'alinentation déterminée expéri- mentalement, mais 1- simplicité demande un compromis tel qu'on peut le réaliser avec un tronçon de suppression quart d'once d'une im pédance relativement élevée avec une légère augmentation ces pertes aux limites de la bande de fréquence de fonctionnenent. Ledit tron- çon est constitué par le dispositif 15 établissant un court-circuit entre le cylindre l'et le transformateur .'impédance quart d'onze 1o, ce qui assure un tronçon de blocage quart d'onze sur le conduc- teur extérieur de la lgne de transmission.
Fans le cas de ligne de transmission non ér.uilibrée des figures et 6, le conducteur con- centrique extérieur (le la ligne se termine sur l'élément infétieur 1 de l'antenne demi-onde, nais dans le cas d'une ligne de trans- mission bifilaire, il est nécessaire d'utiliser un condensateur ci'accord, comme indiqué en 18,(figure 5) pour accorder en parallèle le troncon courtcircuité formé par le disque de nise en court-cir- cuit 15, le conducteur de blindage extérieur de transformateur quart d'onde et l'intérieur de l'élément cylindrique inférieur de l'antenne 1'..
four maintenir la caractéristique de réponse résis- tance-fréquence aussi aplatie que possible, le dispositif de mise en court court-circuit sous forme d'un disque annulaire, doit être mince et l'antenne utilisée doit avoir uneimpédance caractéris-
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ique relativement faible,de sorte que l'impédance du tronçon due blocage soit élevée.
Comme représenté à la figure 7, l'antenne et la ligne de transmission coaxiale à ladite antenne peuvent être suspendues par un câble de retenue 13 ou encore, comme représenté à la figure f, attachées au sommet du mât en bois 9.