Installation réceptrice de radio-signalisation. La présente invention se rapporte à une installation réceptrice de radio-signalisation.
Suivant l'invention, l'antenne est longue et établie de façon à présenter des constantes de valeurs telles que des ondes électriques y produites par les ondes de signalisation se propagent sur sa longueur à une vitesse ap prochant celle à laquelle les ondes de signali sation désirées cheminent le long de sa lon gueur dans l'espace, et cela pour que les ondes, produites dans l'antenne puissent être renforcées progressivement, dans une mesure considérable, par les ondes de signalisation se propageant dans l'espace.
En pratique, l'antenne sera, sensiblement horizontale et elle pourra avoir la forme d'une boucle ou d'un conducteur mis à la terre aux extrémités, s'étendant avantageuse ment à peu près parallèlement à la direction de transmission des signaux à recevoir. Cette antenne sera construite de façon que des ondes électriques de la fréquence des signaux la parcourent à une vitesse sensiblement égale à la vitesse à laquelle des ondes de signalisation parcourent l'espace le long de l'antenne. En supposant que l'antenne soit-pa- rallèle à la direction de cheminement des ondes de signalisation, cette vitesse sera la vitesse de la lumière.
Si des ont-les électri ques passent par l'antenne à -la même vitesse que celle à laquelle les ondes de signalisation cheminent le long de sa longueur, les cou rants de signalisation induits dans l'antenne seront très faibles à l'extrémité rapprochée de la station de transmission et augmenteront progressivement le long de l'antenne pour de venir un maximum à l'extrémité de celle-ci éloignée de la station de transmission.
Au cas où la capacité et l'inductance na turelles de l'antenne ne sont pas de valeurs appropriées pour donner la vitesse d'onde électrique désirée pour la fréquence du si gnal, on pourra prévoir des moyens -pour permettre de modifier les caractéristiques de l'antenne de manière à provoquer la vitesse d'onde désirée pour la fréquence du signal: Dans quelques cas, cette vitesse désirée peut être égale à la vitesse de la lumière, -dans d'autres, elle peut en être différente. ' La vitesse de propagation des ondes élec triques dans l'antenne peut être augmentée à la valeur désirée par l'insertion, à interval les appropriés, de condensateurs en série ou d'inductances en dérivation.
L'appareil récepteur peut être mis en relation de connexion avec l'antenne (soit par connexion directe, soit par couplage au moyen d'un transformateur) en un point où l'effet des signaux par radiation désirés est relative ment grand et où l'effet de signaux par radiation non-désirés ou de perturbations sta tiques est relativement petit. Il pourra être placé à une certaine distance de l'antenne et y être relié par une ligne de transmission à deux conducteurs s'étendant dans une direc tion différente de celle de l'antenne. Pour que cette ligne de transmission ne puisse agir comme. une antenne, ses conducteurs pour ront être transposés plusieurs fois de façon appropriée pour que des effets quelconques de signaux par radiation sur elle s'annihilent mutuellement.
Au dessin annexé, donné à. titre d'exemple: La fig. 1 représente le schéma d'une pre mière forme d'exécution de l'objet de l'in vention; La fig. la donne le schéma d'une forme d'exécution semblable; La fig. 2 montre le schéma d'une autre forme d'exécution; La, fig. 3 donne un diagramme de plu sieurs courbes représentant les variations clans l'intensité des signaux le long de la longueur de l'antenne réceptrice; Les fig. 4 et 5 montrent des formes d'exé cution avec des moyens pour ajuster la vi tesse des ondes sur une longue antenne; La fig. 6 montre une forme d'exécution, dans laquelle l'antenne réceptrice comporte plusieurs boucles;
Les fig. 7 et 8 donnent des formes d'exé cution avec des moyens pour ajuster la vi tesse des ondes sur des boucles d'antenne; Les fig. 9 et 10 montrent deux formes d'exécution avec une série de boucles d'an tenne interconnectées pour donner des résul- tats équivalents à ceux obtenus avec une seule longue antenne; La fig. 11 représente encore une autre forme d'exécution avec des moyens pour ajuster la vitesse des ondes;
Les fig. 12 et 13, enfin, représentent des formes d'exécution qui peuvent être adoptées dans les cas où la station réceptrice propre ment dite n'est pas située en alignement avec une longue antenne réceptrice.
On décrira, d'abord les phénomènes se manifestant sur une longue antenne horizon tale telle qu'elle est employée dans l'instal lation de la fig. 1. L'antenne réceptrice 1 représentée en fig. 1 sous forme de ligne horizontale longue comporte une partie s'é tendant de la station réceptrice à l'extrémité 2 de l'antenne vers la station de transmis sion A d'où viennent les signaux désirés.
Le fonctionnement de cette antenne en recevant des signaux peut être expliqué comme suit: Supposons que les ondes de signalisation cheminent dans l'espace de la station A dans la direction de l'antenne; alors on obtiendra à l'extrémité 2 de l'antenne un faible courant qui sera propagé sous forme d'une onde le long de l'antenne vers l'extrémité 3 de celle- ci. Si la, vitesse de cette faible onde de cou rant dans l'antenne est égale à la. vitesse de l'onde de signalisation dans l'espace, l'onde de courant croîtra.
à mesure qu'elle s'approche de l'extrémité 3 de l'antenne en absorbant continuellement de petites quantités d'éner gie additionnelles des ondes d'éther, attendu que les deux ondes cheminent longitudinale ment en phase l'une avec l'autre. Il réqulte de cette analyse que, si les constantes de l'an tenne sont de valeur telle que l'onde de cou rant chemine à la même vitesse que l'onde d'éther, plus est longue l'antenne, plus sera grand le courant qui sera reçu. Il existera., comme on le comprend facilement, une lon gueur maxima au delà de laquelle rien ne pourra être gagné à cause des pertes dans l'antenne. Plus ces pertes seront faibles, plus sera grande la longueur d'antenne qui pourra. être utilisée avec avantage.
Même en sup posant une ligne à pertes nulles, on aura finalement une longueur-limite où l'on n'ob tiendra plus aucune augmentation ultérieure sensible dans l'intensité du signal à la suite d'une augmentation de longueur, parce que les ondes sur l'antenne atteindront finalement une amplitude telle que la radiation de l'an tenne sera pratiquement égale à l'énergie re çue. Cette condition peut être appelée l'état de ,,saturation".
Si, cependant, la vitesse de l'onde de courant dans l'antenne n'est pas exactement la même que celle de l'onde dans l'espace, le long de l'antenne, alors le phéno mène se passera bien comme susdit près du bout 2 de l'antenne, mais on atteindra finale ment un point où l'une des ondes sera telle ment en avance sur l'autre que les deux ondes se trouveront en opposition de phase. L'onde de courant diminuera alors et son amplitude tombera jusqu'à zéro, et après, une nouvelle onde sera amorcée et formée.
Dans ces conditions, l'intensité du signal, si l'àp- pareil récepteur est déplacé le long de l'an tenne dans la direction dans laquelle les on des se meuvent, augmentera graduellement depuis une faible valeur initiale jusqu'à un maximum, puis diminuera jusqu'à un. mini mum, et augmentera de nouveau jusqu'à un second maximum ayant à peu près la même amplitude que le premier maximum. La dis tance le long de l'antenne entre un maximum et un minimum dépendra de la différence des vitesses de l'onde électrique dans l'antenne et (le l'onde d'éther dans l'espace environnant.
Si les vitesses diffèrent très peu l'une de l'autre, on pourra employer avec avantage uile longue antenne réceptrice, mais si les vitesses sont considérablement différentes l'une de l'autre, comme il n'y a pas d'avan tage à employer une plus grande longueur d'antenne que celle qui donne le premier maximum pour là fréquence de signal dési rée, il conviendra d'employer des antennes de longueurs relativement petites.
Le diagramme de la fig. 3 représente la variation dans l'intensité de courant dans l'antenne dans lés deux conditions de fonc tionnement différentes qui viennent d'être dé crites. Doris cette figure; les ordonnées repré- sentent l'intensité de signal et les abscisses les distances le long de l'antenne. La courbe B montre l'augmentation dans l'intensité de courant sur toute la longueur,dë l'antenne quand l'onde de courant dans l'antenne et l'onde d'éther cheminent à 1a même vitesse.
Elle montre que le courant âugmente le long de l'antenne d'abord très rapidement, puis plus lentement par suite de la saturation et -des pertes de ligne. On supposera que la distance représentée par cette courbe soit la; longueur maxima d'antenne qui puisse être -utilisée avec avantage et que cette longueur maxima, soit égale à plusieurs longueurs d'onde. La courbe C montre la variation dans l'intensité de courant sur toute la longueur de l'antenne pour un. cas où l'onde de cou rant et l'onde dans l'éther cheminent à des vitesses différentes.
Dans ce cas, le courant augmente jusqu'à ce qu'un maximum soit atteint en D, puis il diminue à un minimum en E, augmente ensuite à un second maximum en I' et diminue de nouveau à un minimum en G.
Comme ces deux maxima sont ap proximativement de la même valeur, il est évident que pour le rapport de vitesses qui donne lieu à la courbe C rien ne sera gagné en intensité de signal par l'emploi d'une plus grande longueur d'antenne que celle repré sentée par la distance<I>0-D.</I> La courbe<I>H</I> représente la variation dans l'intensité de courant le long de l'antenne pour un autre cas où l'oncle de courant et l'onde dans l'éther, le long de l'antenne, cheminent à des vitesses qui diffèrent moins entre elles. Dans ce cas, le courant maximum est atteint au point I et le minimum est atteint au bout de l'an tenne.
Bien des antennes longues employées jusqu'ici comportent des fils métalliques à enveloppe en caoutchouc, pour pose souter raine, immersion dans l'eau ou placement à la surface du sol. Ces genres d'antennes don nent une vitesse faible et une atténuation d'onde élevée, effets qui limitent la longueur d'antenne qui puisse être employée avanta geusement, la meilleure longnieur qui ait été trouvée par des expériences étant de environ un huitième de la longueur d'onde dans l'éther. Les conditions nécessaires pour réali ser les avantages d'antennes plus longues sont celles d'une vitesse élevée et d'une atténuation d'onde faible.
Pour des ondes cheminant dans la direc tion opposée, le courant s'établira de la même manière que décrit plus haut, mais en por tant de l'extrémité 3 de l'antenne. Si, au bout 2 (fig. 1) de l'antenne, ces ondes sont renvoyées, elles retourneront en 3 et affec teront l'appareil récepteur, donnant, par suite, à l'antenne des propriétés réceptrices pour les deux' sens de cheminement d'onde.
Ce renvoi d'ondes peut être empêché par la mise à. la terre du bout 2 de l'antenne par l'inter médiaire d'une résistance non-inductive 5 d'une valeur approximativement égale à l'im pédance caractéristique du conducteur formant l'antenne, qui est sensiblement égale à
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les pertes pouvant être négligées, où L et C représentent l'inductance et la capacité de l'antenne par unité de longueur.
En em ployant cet expédient, par lequel le renvoi d'onde de l'extrémité d'antenne éloignée est éliminé, l'antenne présentera des propriétés réceptrices pour un sens de cheminement d'onde et agira sélectivement d'une façon très sensible en faveur des signaux venant d'une direction, l'antenne étant beaucoup moins sen sible pour des signaux et des parasites venant d'autres directions. Plus la longueur de l'an tenne est grande en comparaison de la Ion gueur des ondes de signalisation, plus sera accentuée la sélectivité de l'antenne pour un sens de cheminement d'onde.
La, résistance amortisseuse 5 en fig. 1 pourrait être remplacée par un dispositif ré cepteur ayant la même impédance sans por ter atteinte aux propriétés réceptrices de l'an tenne pour le sens de cheminement d'onde allant (le 2 vers 3, quand l'antenne est em ployée en combinaison avec le circuit récep teur 4.
Si le circuit récepteur 4 présente aussi une impédance approximativement égale à l'impédance caractéristique de l'antenne, alors un circuit récepteur prévu au bout 2 de l'antenne recevra seulement des signaux ve- nant dans la direction 3-2?, c'est-à-dire ve nant de la direction opposée à celle des si gnaux reçus par le circuit récepteur 4. fine longue antenne peut ainsi desservir deux stations réceptrices, pour des signaux venant de directions opposées, et il n'y aura aucune perte de rendement en établissant ainsi l'an tenne de façon à servir à un double but.
Suivant les considérations théoriques, si une antenne en substance non magnétique, bonne conductrice, était librement suspendue, parallèlement à la surface de la terre, celle-ci constituant un plan parfaitement conducteur, des ondes de courant se propageraient le long du conducteur formant l'antenne à une vi tesse égale à celle de la. lumière. En pratique; la vitesse théorique n'est pas atteinte à cause de la résistance du sol et à cause de la néces sité de pourvoir à. des supports pour l'an tenne. L'effet de l'emploi de ces supports est d'ajouter une capacité en dérivation à la ligne ou conducteur constituant l'antenne sans oc casionner de changement compensateur quel conque dans les autres constantes de ligne.
L'effet de la capacité en dérivation en excès pourra être neutralisé, pour des ondes entre tenues d'une fréquence particulière, au moyen d'inductances reliées en dérivation, à des courts intervalles, entre l'antenne et la terre. Ou bien, l'effet de la capacité en dérivation en excès, au point de vue d'une diminution de la, vitesse de propagation d'onde, pour une fréquence donnée, peut être compensé par l'insertion de condensateurs 6 (fig. la) en série avec le conducteur de ligne de l'antenne, neutralisant par là une partie de l'inductance en série, ce qui augmente la vitesse de pro pagation de ces ondes entretenues.
Ces in ductances en dérivation ou ces condensateurs en série devront être situés suffisamment près les uns des autres (en aucun cas à une dis tance plus grande que
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de la longueur d'onde) pour donner sensiblement l'effet d'une distribution uniforme d'inductance en déri vation ou de capacité en série, pour la fré quence qui doit être reçue. En choisissant des valeurs appropriées pour les inducta,nçes ou les condensateurs, la vitesse d'onde sur la ligne pour des ondes entretenues d'une fré quence donnée quelconque peut être rendue égale ou supérieure à la vitesse de la lumière.
La fig. 6 montre une antenne qui, au lieu d'être mise à la terre aux deux extrémités; est établie en forme de deux boucles, chacune pourvue d'une résistance 5 égale en valeur à l'impédance caractéristique de l'antenne pour empêcher une réflexion des ondes à l'extrémité de l'antenne qui est le plus près de la, station de transmission, et qui sont in terconnectées à l'autre extrémité par le moyen d'un transformateur ayant un enrou lement primaire dans chacune des boucles et un enroulement secondaire commun relié à l'appareil récepteur 4.
La fig. 7 montre une antenne en forme de boucle pourvue d'une résistance à l'extrémité qui est le plus près de la station de transmission et renfermant des condensateurs en série 8 et des induc tances en série 7, ainsi que des condensateurs en shunt 11 et des inductances en shunt 12. La fig. 8 donne une .disposition d'antenne en boucle similaire, mais dans laquelle les in dur-tances en série 7 dans les deux branches de la boucle sont interconnectées plus in timement l'une avec l'autre.
La fig. 9 mon tre une antienne en forme de boucle dans la quelle les deux branches de la boucle sont interconnectées l'une avec l'autre en leur faisant faire, à chacune, un nombre de spires sur elles-mêmes, ces spires d'une branche étant interconnectées avec les spires corres pondantes de l'autre branche -de la boucle. Suivant la fig. 10, l'antenne, au lieu d'être formée d'une seule boucle longue, comprend plusieurs boucles plus courtes interconnec tées à chaque extrémité entre elles par le moyen de transformateurs.
D'autres moyens pour corriger la vitesse d'onde sur une longue antenne consistent dans l'introduction, à des intervalles appropriés (le celle-ci, de mailles ou chaînons de ligne artificielle, disposés pour agir de manière à retarder on à avancer la phase de l'onde. Ainsi, par exemple, l'introduction de mailles formées de condensateurs en série et d'indue- tances en dérivation aura l'effet de faire avancer la phase de l'onde ou d'augmenter la vitesse moyenne de l'onde pour l'antenne comme ensemble, tandis que l'introduction de mailles formées d'inductances en série 9 et de condensateurs en dérivation 10, comme montré en fig. 11, produira un retard ou ra lentissement de la vitesse moyenne de l'onde pour l'antenne.
Pour des ondes entretenues, l'introduction de mailles retardatrices retar dant la phase de l'onde d'un peu moins qu'une période sur une longueur égale à la longueur d'onde, aura un effet équivalent à celui d'un avancement de phase, c'est-à-dire l'effet d'augmenter la vitesse de l'onde, tan dis que pour des impulsions individuelles uniques ou des ondes fortement amorties l'effet serait de diviser la perturbation qui en résulterait sur l'antenne en plusieurs im pulsions relativement faibles.
Des mailles de ligne artificielle, telles que décrites, peuvent être introduites dans l'antenne sans y occasionner de pertes de réflexion sérieuses, soit en faisant les mailles très exactement égales les unes aux autres et en les mettant suffisamment près les unes ciel autres, ou en établissant des mailles de ligne artificielle ayant des impédances carac téristiques égales à l'impédance caractéristi que de l'antenne non ajustée.
Les moyens décrits plus haut pour ajus ter la vitesse d'onde donnent des vitesses différentes pour des fréquences différentes. Ceci offre la possibilité d'une sélection basée sur la fréquence, en addition à la faculté de sélection offerte par suite des propriétés de direction dé l'antenne. Par exemple, en se référant aux courbes de la fig. $, une sta tion émettrice dont on ne veut pas recevoir les missives pourrait être placée dans la même direction avec une station transmet trice dont les signaux doivent être reçus.
En supposant que la longueur d'onde d'un signal transmis de cette station contrariante dif fère de celle .des signaux désirés pour la quelle l'antenne est ajustée, la vitesse des ondes de la station contrariante sur l'an tenne peut être amenée à différer de leur vitesse dans l'espace, qui sera aussi celle dans l'antenne pour les ondes que l'on veut recevoir, d'une valeur telle qu'un n#ud de vibration, tel que montré en E ou G de la courbe C (fig. 3), se présente au point où l'appareil récepteur est disposé.
Si tel est le cas, la station contrariante ne produira sensiblement aucun effet sur l'appareil récepteur. Dans d'autres condi tions, en supposant que les deux courants dans l'antenne venant depuis deux stations en ligne l'une avec l'autre soient représentés par les courbes C et H (fig. 3), la réception pourrait être accomplie pour la station qui emet le courant représenté par la courbe H, en disposant un appareil récepteur au point 1 où ce courant a une grande amplitude et où le courant représenté par la courbe C se rap proche d'un minimum.
Si la capacité et l'inductance naturelles de l'antenne ont sensiblement les valeurs re quises pour donner une vitesse de propaga tion d'onde dans l'antenne égale à la vitesse (le la lumière, une pareille antenne aurait la même vitesse d'onde pour toutes les fré quences et tout en possédant des propriétés de sélection suivant la direction, n'aura pas d'action sélective au point de vue de la fré quence. Dans ces circonstances, il sera dési- rable d'insérer des inductances en série 7 (fig. 4) qui, par elles-mêmes, réduiraient la vitesse d'onde sur l'antenne, et de neutraliser l'effet de ces induetances pour une fréquence particulière, en insérant des condensateurs en série 8.
Il peut aussi être .désirable dans quel ques cas, afin de marquer davantage la fa.. culté de sélection de la, ligne au point de vue de la fréquence, d'employer en outre une capacité en dérivation additionnelle 11 comme moyen pour ralentir la vitesse d'onde et de la neutraliser par des inductances en dériva tion 19, comme indiqué en fig. 5.
Dans ce cas, l'antenne agira purement comme une simple ligne de transmission -à la fréquence désirée, tandis que pour toutes les fréquen ces au-dessous de celle-ci, l'antenne se com portera comme un filtre empêchant le pas- sage de ces basses fréquences ou comme ligne artificielle formée de condensateurs en série et d'inductances en dérivation, et pour toutes les fréquences au-dessus de la fréquence de signalisation, l'antenne se comportera comme un filtre empêchant le passage de ces hautes fréquences ou comme une ligne artificielle formée d'inductances en série et de condensa teurs en dérivation.
L'effet de filtre de l'antenne ajustée pro cure ainsi la possibilité d'éliminer des si gnaux indésirés ou des perturbations ayant une longueur d'onde différant de celle du signal désiré. Une action équivalente peut. d'ailleurs être obtenue par l'emploi d'un fil tre de genre connu dans la station réceptrice.
Considérons maintenant une antenne hori zontale, dhns laquelle les ondes se propagent normalement à, une vitesse relativement fai ble, par exemple, un fil à. enveloppe de caout chouc ou un fil de fer, mais dans laquelle la vitesse de propagation a, été augmentée, pour une fréquence particulière, par des con densateurs en série. Pour des impulsions perturbatrices dont les ondes présentent un front raide, les condensateurs en série agi ront pratiquement comme une impédance nulle et l'onde perturbatrice sera propagée le long de la, ligne à sa vitesse normale basse.
Similairement, si des inductances en dériva tion étaient employées pour augmenter la vitesse de propagation, elles agiraient comme impédances infinies pour les impulsions per- turbatrices, et l'onde perturbatrice serait pro pagée à. la, vitesse normale basse de la, ligne.
Cela veut dire que le courant perturbateur dans l'antenne se formera et disparaîtra al ternativement par l'interférence avec l'onde statique dans l'éther et si par hasard il se présente une certaine fréquence particulière ment efficace dans l'onde perturbatrice qui soit embarrassante pour l'excitation du cir cuit de syntonisation du récepteur, il est pos sible de placer l'appareil récepteur à un nmud de vibration en interférence pour l'onde perturbatrice. Le signal sous forme d'onde entretenue se formera progressivement jus- qu'à une valeur élevée au point choisi pour l'appareil récepteur.
Il n'est pas nécessaire pour obtenir de bons résultats qu'une antenne du type décrit soit placée parallèlement à la direction de cheminement des ondes à recevoir, bien que <B>le</B> parallélisme approximatif puisse normale ment être désirable.
Si la direction de clie- ininenicnt des ondes dans l'espace fait un angle " l'antenne, alors le point d'in lersection d'une surface d'onde aved l'an tenne, par exemple le point où l'effet d'in duction sur l'antenne est maximum, se dé placera le long de l'antenne avec une vitesse
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où C représente la vitesse de la lu mière, et afin de prod@zire pour une pareille onde l'effet maximum dans l'appareil récep teur, la vitesse de propagation sur l'antenne devrait être de
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De cette façon, en réalisant une vitesse de propagation des on des entretenues sur l'antenne un peu plus grande que la vitesse de la lumière,
l'antenne peut être établie pour présenter sa sensibilité maximum pour des ondes venant suivant un angle sur l'antenne. Comme la forme de la courbe de distri bution de courant C<I>ou If</I> (fig. â) dépend clé la différence entre la vitesse des ondes sur l'antenne et la vitesse de perturbations dans l'éther le long de l'antenne, qui est de
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il y aura certaines valeurs de l'angle qui pour une antenne donnée, ne donneront pas de courant à l'extrémité réceptrice. Ces points morts d'où un signal. ne peut être en tendu, dépendent de la. longueur d'onde, de la longueur de l'antenne et de la vitesse d'onde dans l'antenne.
Ceci procure des moyens pour éliminer l'action provenant d'une sta tion émettrice soit en ajustant la longueur de l'antenne, soit en ajustant ses constantes et par là la vitesse d'onde dans l'antenne, de sorte que des signaux de cette longueur d'onde et venant de cette direction seront imperceptibles.
Dans certains cas, il peut être désirable de placer la station réceptrice à une certaine distance de la droite suivant laquelle s'étend l'antenne. Les ondes électriques formées sur l'antenne peuvent être portées à la station réceptrice sur un bon circuit de transmis sion quelconque, mais pour que ce circuit de transmission ne puisse agir comme une par tie de l'antenne, il sera désirable d'employer un circuit équilibré à deux conducteurs, les conducteurs 1.3 étant transposés à des inter valles appropriés, comme indiqué en fig. 12. Avec un conducteur relié à l'antenne et l'au tre relié directement à la terre, un pareil cir cuit ne serait pas équilibré et agirait comme une partie de l'antenne.
La ligne peut être équilibrée par l'insertion d'une résistance égale à l'impédance caractéristique de l'an tenne, dans la connexion allant à la terre, en 3. Une pareille résistance est indiquée en 51 à la fig. 12. Un autre moyen pour assurer l'équilibrage de la ligne consiste à intercaler un transformateur 14 entre l'an tenne et la ligne de transmission, comme in- diqué en fig. 13.
La ligne de transmission peut alors être employée comme une antenne séparée ou auxiliaire, une connexion étant établie au point neutre .de l'enroulement transformateur 15 à la station réceptrice et une connexion similaire étant faite à l'autre extrémité de l'antenne, à travers l'appareil de réception 41. Le transformateur 14 à l'en droit de 'jonction peut servir à l'effet utile d'égaliser les impédances caractéristiques ef ficaces de l'antenne et de la ligne de trans mission, un transformateur élévateur ou ré ducteur de tension étant employé si ces im pédances caractéristiques diffèrent suffisam ment pour occasionner, sans cela, une ré flexion considérable.
.L'ajustement .de la vitesse d'onde sur une antenne peut être fait de manière à donner non -seulement une vitesse désirée pour. une fréquence, mais à donner aussi en même temps une vitesse désirée pour une seconde fréquence. Supposons, par exemple, que l'an tenne se dirige directement vers une station (le transmission dont les signaux doivent être reçus et qu'une seconde station de transmis sion de longueur d'onde plus grande se trouve à un angle d _ sur la direction de l'antenne de réception.
Pour des signaux de la première station, la vitesse d'onde sur l'antenne de- -;rait être égale à celle de la lumière, tandis que pour (les signaux de la seconde station, la vitesse devrait être de
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où C re. présente la vitesse de la lumière. Si l'on emploie une antenne dont les constantes na turelles sont de valeurs convenables pour don ner une vitesse d'onde C, aucun ajustement ne serait nécessaire pour la première station, mais la vitesse d'onde serait trop faible pour que la réception de signaux venant de la seconde station soit aussi bonne que possible.
Si, alors, des inductances en série sont intro duites et que leur réactance soit neutralisée par des condensateurs en série pour la fré quence des signaux venant de la première station, la vitesse d'onde pour ces signaux ne sera pas changée, mais la vitesse d'oncle sera augmentée pour les ondes plus longues de la seconde station. Plus seront grandes les valeurs des réactances d'induction et de capacité, plus sera grande la vitesse pour les ondes plus longues. Il en résulte qu'on peut choisir des va leurs d'inductance et de capacité qui don neront la vitesse désirée
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pour des si gnaux venant de la seconde station, tout en maintenant telle quelle la vitesse pour des ondes venant de la première station.
Radio-signaling receiving installation. The present invention relates to a radio signaling receiving installation.
According to the invention, the antenna is long and established so as to have value constants such that the electric waves produced there by the signaling waves propagate along its length at a speed near that at which the signaling waves. desired travel along its length in space, and this so that the waves produced in the antenna can be gradually reinforced, to a considerable extent, by the signal waves propagating in space.
In practice, the antenna will be substantially horizontal and it may have the form of a loop or of a conductor grounded at the ends, advantageously extending approximately parallel to the direction of transmission of the signals to be received. . This antenna will be constructed so that electrical waves of the frequency of the signals travel through it at a speed substantially equal to the speed at which signal waves travel through space along the antenna. Assuming that the antenna is parallel to the direction of travel of the signal waves, this speed will be the speed of light.
If electrical wires pass through the antenna at the same speed as the signal waves travel along its length, the signal currents induced in the antenna will be very weak at the near end. of the transmitting station and will gradually increase along the antenna to come a maximum at the end of the latter remote from the transmitting station.
In the event that the natural capacitance and inductance of the antenna are not appropriate values to give the desired electrical wave speed for the signal frequency, means may be provided to allow modification of the characteristics of the signal. the antenna so as to cause the desired wave speed for the frequency of the signal: In some cases, this desired speed may be equal to the speed of light, - in others, it may be different. The propagation speed of the electric waves in the antenna can be increased to the desired value by the insertion, at appropriate intervals, of series capacitors or shunt inductors.
The receiving apparatus can be connected to the antenna (either by direct connection or by coupling by means of a transformer) at a point where the effect of the desired radiation signals is relatively large and where the The effect of unwanted radiation signals or static disturbances is relatively small. It may be placed at a certain distance from the antenna and be connected thereto by a transmission line with two conductors extending in a direction different from that of the antenna. So that this transmission line cannot act as. an antenna, its conductors may be appropriately transposed several times so that any effects of radiation signals on it cancel each other out.
In the accompanying drawing, given at. by way of example: FIG. 1 represents the diagram of a first embodiment of the object of the invention; Fig. gives the diagram of a similar embodiment; Fig. 2 shows the diagram of another embodiment; The, fig. 3 gives a diagram of several curves representing the variations in signal strength along the length of the receiving antenna; Figs. 4 and 5 show embodiments with means for adjusting the speed of the waves on a long antenna; Fig. 6 shows an embodiment, in which the receiving antenna has several loops;
Figs. 7 and 8 give forms of execution with means for adjusting the speed of the waves on antenna loops; Figs. 9 and 10 show two embodiments with a series of antenna loops interconnected to give results equivalent to those obtained with a single long antenna; Fig. 11 shows yet another embodiment with means for adjusting the speed of the waves;
Figs. 12 and 13, finally, show embodiments which can be adopted in cases where the receiving station proper is not located in alignment with a long receiving antenna.
We will first describe the phenomena occurring on a long horizontal antenna such as it is used in the installation of FIG. 1. The receiving antenna 1 shown in FIG. 1 in the form of a long horizontal line comprises a part extending from the receiving station at the end 2 of the antenna to the transmission station A from which the desired signals come.
The operation of this antenna in receiving signals can be explained as follows: Suppose the signal waves travel through space from station A in the direction of the antenna; then a weak current will be obtained at the end 2 of the antenna which will be propagated in the form of a wave along the antenna towards the end 3 of the latter. If the, speed of this weak current wave in the antenna is equal to the. signaling wave speed in space, the current wave will grow.
as it approaches end 3 of the antenna, continuously absorbing small amounts of additional energy from the aether waves, as the two waves travel longitudinally in phase with each other other. He re quests from this analysis that, if the constants of the antenna are of such value that the current wave travels at the same speed as the ether wave, the longer the antenna, the greater the current that will be received. As is easily understood, there will be a maximum length beyond which nothing can be gained because of the losses in the antenna. The lower these losses, the greater the antenna length that can be. be used with advantage.
Even supposing a zero loss line, we will finally have a limit length where we will no longer obtain any significant subsequent increase in signal intensity following an increase in length, because the waves on the antenna will eventually reach an amplitude such that the radiation from the antenna will be practically equal to the energy received. This condition can be called the state of "saturation".
If, however, the speed of the current wave in the antenna is not exactly the same as that of the wave in space, along the antenna, then the phenomenon leads will be fine as above. near end 2 of the antenna, but we will finally reach a point where one of the waves will be so far ahead of the other that the two waves will be in phase opposition. The current wave will then decrease and its amplitude will drop to zero, and after that a new wave will be initiated and formed.
Under these conditions, the signal strength, if the same receiver is moved along the antenna in the direction in which the waves are moving, will gradually increase from a low initial value to a maximum, then will decrease to one. mini mum, and will increase again to a second maximum having about the same amplitude as the first maximum. The distance along the antenna between a maximum and a minimum will depend on the difference in the speeds of the electric wave in the antenna and the ether wave in the surrounding space.
If the speeds differ very little from each other, a long receiving antenna can be used with advantage, but if the speeds are considerably different from each other, there is no advantage. In employing a greater antenna length than that which gives the first maximum for the desired signal frequency, antennas of relatively short lengths should be employed.
The diagram in fig. 3 represents the variation in the current intensity in the antenna under the two different operating conditions which have just been described. Doris this figure; the ordinates represent the signal strength and the abscissa the distances along the antenna. Curve B shows the increase in current strength over the entire length of the antenna as the current wave in the antenna and the ether wave travel at the same speed.
It shows that the current increases along the antenna very quickly at first, then more slowly as a result of saturation and line losses. We will suppose that the distance represented by this curve is la; maximum length of antenna which can be used with advantage and that this maximum length is equal to several wavelengths. Curve C shows the variation in amperage along the length of the antenna for one. case where the current wave and the wave in the ether travel at different speeds.
In this case, the current increases until a maximum is reached in D, then it decreases to a minimum in E, then increases to a second maximum in I 'and decreases again to a minimum in G.
As these two maxima are approximately the same value, it is obvious that for the speed ratio which gives rise to the curve C nothing will be gained in signal intensity by the use of a greater antenna length than that represented by the distance <I> 0-D. </I> The curve <I> H </I> represents the variation in the current intensity along the antenna for another case where the uncle current and the wave in the ether, along the antenna, travel at speeds which differ less from each other. In this case, the maximum current is reached at point I and the minimum is reached at the end of the antenna.
Many of the long antennas employed heretofore have rubber-wrapped metal wires for installation underground, submersion in water or placement on the ground surface. These kinds of antennas give low speed and high wave attenuation, effects which limit the antenna length that can be advantageously employed, the best length that has been found by experiments being about one-eighth of the length. wavelength in the ether. The conditions necessary to realize the advantages of longer antennas are those of high speed and low wave attenuation.
For waves traveling in the opposite direction, the current will be established in the same way as described above, but by por as of the end 3 of the antenna. If, at end 2 (fig. 1) of the antenna, these waves are returned, they will return to 3 and affect the receiving apparatus, thus giving the antenna receiving properties for both directions of the antenna. wave tracking.
This wavelength can be prevented by setting. the earth of end 2 of the antenna via a non-inductive resistor 5 of a value approximately equal to the characteristic impedance of the conductor forming the antenna, which is substantially equal to
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losses can be neglected, where L and C represent the inductance and capacitance of the antenna per unit length.
By employing this expedient, by which the waveform deflection from the far antenna end is eliminated, the antenna will exhibit receiving properties for a sense of waveforming and selectively act in a very sensitive manner in favor of signals coming from one direction, the antenna being much less sensitive to signals and interference from other directions. The greater the length of the antenna in comparison to the signaling wave ion, the greater will be the selectivity of the antenna for one direction of wave tracking.
The damping resistor 5 in FIG. 1 could be replaced by a receiving device having the same impedance without affecting the receiving properties of the antenna for the direction of wave path going (2 to 3, when the antenna is used in combination with the receiver circuit 4.
If the receiver circuit 4 also has an impedance approximately equal to the characteristic impedance of the antenna, then a receiver circuit provided at the end 2 of the antenna will only receive signals coming in the direction 3-2 ?, c ' that is to say coming from the opposite direction to that of the signals received by the receiver circuit 4.fine long antenna can thus serve two receiving stations, for signals coming from opposite directions, and there will be no loss of performance by thereby establishing the antenna to serve a dual purpose.
According to theoretical considerations, if a substantially non-magnetic, good conductor antenna were freely suspended parallel to the surface of the earth, the latter constituting a perfectly conductive plane, current waves would propagate along the conductor forming the antenna at a speed equal to that of the. light. In practice; the theoretical speed is not reached because of the resistance of the ground and because of the need to provide. supports for the antenna. The effect of using these supports is to add a shunt capacitance to the line or conductor constituting the antenna without causing any compensatory change in the other line constants.
The effect of the excess shunt capacitance can be neutralized, for waves between withstand of a particular frequency, by means of inductors connected in shunt, at short intervals, between the antenna and the earth. Or, the effect of the excess shunt capacitance, from the point of view of a decrease in the wave propagation speed, for a given frequency, can be compensated by the insertion of capacitors 6 (fig. 1a) in series with the line conductor of the antenna, thereby neutralizing part of the inductance in series, which increases the speed of propagation of these continuous waves.
These shunt leads or these series capacitors must be located sufficiently close to each other (in no case at a distance greater than
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wavelength) to substantially give the effect of a uniform distribution of shunt inductance or series capacitance, for the frequency to be received. By choosing appropriate values for the inductors or capacitors, the wave speed on the line for continuous waves of any given frequency can be made equal to or greater than the speed of light.
Fig. 6 shows an antenna which, instead of being grounded at both ends; is established in the form of two loops, each provided with a resistance equal in value to the characteristic impedance of the antenna to prevent reflection of the waves at the end of the antenna which is closest to the station transmission, and which are interconnected at the other end by means of a transformer having a primary winding in each of the loops and a common secondary winding connected to the receiving device 4.
Fig. 7 shows a loop-shaped antenna with a resistor at the end which is closest to the transmitting station and enclosing capacitors in series 8 and inductors in series 7, as well as shunt capacitors 11 and shunt inductors 12. FIG. 8 gives a similar loop antenna arrangement, but in which the series in dur-tances 7 in the two branches of the loop are more intimately interconnected with each other.
Fig. 9 shows an antiphon in the form of a loop in which the two branches of the loop are interconnected with each other by making them each make a number of turns on themselves, these turns of a branch being interconnected with the corresponding turns of the other branch of the loop. According to fig. 10, the antenna, instead of being formed from a single long loop, comprises several shorter loops interconnected at each end to each other by means of transformers.
Other means of correcting the wave speed on a long antenna consist in the introduction, at appropriate intervals (this one, of meshes or links of artificial line, arranged to act in such a way as to delay or advance the line. phase of the wave Thus, for example, the introduction of meshes formed of series capacitors and shunt inductances will have the effect of advancing the phase of the wave or of increasing the average speed of the wave. the wave for the antenna as a whole, while the introduction of meshes formed of series inductors 9 and shunt capacitors 10, as shown in fig. 11, will produce a delay or slowdown in the average speed of l wave for the antenna.
For continuous waves, the introduction of delay meshes delaying the phase of the wave by a little less than a period over a length equal to the wavelength, will have an effect equivalent to that of an advancement of phase, i.e. the effect of increasing the speed of the wave, tan say that for single individual pulses or strongly damped waves the effect would be to divide the resulting disturbance on the antenna in several relatively weak impulses.
Artificial line meshes, as described, can be introduced into the antenna without causing serious reflection losses, either by making the meshes very exactly equal to each other and putting them sufficiently close to each other, or by establishing artificial line meshes having characteristic impedances equal to the characteristic impedance of the unadjusted antenna.
The means described above for adjusting the wave speed give different speeds for different frequencies. This provides the possibility of frequency-based selection, in addition to the selectivity afforded by the steering properties of the antenna. For example, referring to the curves of FIG. $, a transmitting station from which missives are not to be received could be placed in the same direction with a transmitting station whose signals are to be received.
Assuming that the wavelength of a signal transmitted from that offending station differs from that of the desired signals for which the antenna is adjusted, the wave speed of the offending station on the antenna can be brought up. to differ from their speed in space, which will also be that in the antenna for the waves that we want to receive, by a value such as a vibration node, as shown in E or G of curve C (fig. 3) appears at the point where the receiving device is placed.
If this is the case, the annoying station will produce substantially no effect on the receiving device. Under other conditions, assuming that the two currents in the antenna coming from two stations in line with each other are represented by curves C and H (fig. 3), reception could be accomplished for the station which emits the current represented by curve H, by placing a receiving device at point 1 where this current has a large amplitude and where the current represented by curve C is close to a minimum.
If the natural capacitance and inductance of the antenna have substantially the values required to give a speed of wave propagation in the antenna equal to the speed (light, such an antenna would have the same speed of light). wave for all frequencies and while possessing directional selection properties will not have a frequency selective action. Under these circumstances it will be desirable to insert inductors in series 7 (fig. 4) which, by themselves, would reduce the wave speed on the antenna, and neutralize the effect of these induetances for a particular frequency, by inserting capacitors in series 8.
It may also be desirable in some cases, in order to further emphasize the ease of selecting the line from the point of view of frequency, to further employ additional shunt capacitance 11 as a means of slowing down the line. wave speed and neutralize it by inductors in derivative 19, as shown in fig. 5.
In this case, the antenna will act purely as a simple transmission line - at the desired frequency, while for all frequencies below this, the antenna will behave like a filter preventing the passage. these low frequencies or as an artificial line formed of series capacitors and shunt inductors, and for all frequencies above the signaling frequency, the antenna will behave like a filter preventing the passage of these high frequencies or like an artificial line formed by series inductors and shunt capacitors.
The filter effect of the adjusted antenna thus provides the possibility of eliminating unwanted signals or disturbances having a wavelength different from that of the desired signal. Equivalent action can. moreover be obtained by the use of a known type filter in the receiving station.
Consider now a horizontal antenna, where the waves propagate normally at a relatively low speed, for example, wire to wire. envelope of caout caout or a wire, but in which the speed of propagation has been increased, for a particular frequency, by capacitors in series. For disturbing pulses whose waves have a steep edge, the series capacitors will act almost as zero impedance and the disturbance wave will be propagated along the line at its low normal speed.
Similarly, if derivative inductors were employed to increase the speed of propagation, they would act as infinite impedances for the disturbing pulses, and the disturbing wave would be propagated to. the, normal low speed of the line.
This means that the disturbing current in the antenna will form and disappear alternatively by interference with the static wave in the ether and if by chance there is a certain particularly effective frequency in the disturbing wave which is embarrassing for the excitation of the tuning circuit of the receiver, it is possible to place the receiving device at a noise level of vibration in interference for the disturbing wave. The continuous wave signal will gradually build up to a high value at the point chosen for the receiving device.
It is not necessary to obtain good results that an antenna of the type described should be placed parallel to the direction of travel of the waves to be received, although <B> </B> rough parallelism may normally be desirable.
If the direction of motion of waves in space angles the antenna, then the point of intersection of a wave surface with the antenna, for example the point where the effect of The in duction on the antenna is maximum, will move along the antenna with a speed
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where C represents the speed of light, and in order to produce the maximum effect for such a wave in the receiving apparatus, the speed of propagation on the antenna should be
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In this way, by achieving a propagation speed of the sustained ones on the antenna a little greater than the speed of light,
the antenna can be set up to have its maximum sensitivity to waves coming at an angle onto the antenna. Since the shape of the current distribution curve C <I> or If </I> (fig. Â) depends on the difference between the speed of the waves on the antenna and the speed of disturbances in the ether along of the antenna, which is
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there will be certain values of the angle which for a given antenna, will not give current to the receiving end. These dead spots hence a signal. can not be tense, depend on the. wavelength, length of the antenna and the wave speed in the antenna.
This provides a means for eliminating the action from a transmitting station either by adjusting the length of the antenna or by adjusting its constants and hence the wave speed in the antenna, so that signals from this wavelength and coming from this direction will be imperceptible.
In some cases, it may be desirable to locate the receiving station some distance from the line along which the antenna extends. The electric waves formed on the antenna may be carried to the receiving station on any good transmission circuit, but so that this transmission circuit cannot act as part of the antenna, it will be desirable to employ a balanced circuit with two conductors, the conductors 1.3 being transposed at appropriate intervals, as indicated in fig. 12. With one conductor connected to the antenna and the other directly connected to earth, such a circuit would not be balanced and would act as part of the antenna.
The line can be balanced by inserting a resistance equal to the characteristic impedance of the antenna, in the connection going to earth, at 3. A similar resistance is indicated at 51 in fig. 12. Another way to ensure line balancing consists of inserting a transformer 14 between the antenna and the transmission line, as shown in FIG. 13.
The transmission line can then be employed as a separate or auxiliary antenna, a connection being made at the neutral point of the transformer winding 15 at the receiving station and a similar connection being made at the other end of the antenna, at the receiving station. through the receiving apparatus 41. The transformer 14 at the junction may serve the useful effect of equalizing the effective characteristic impedances of the antenna and the transmission line, a step-up transformer or voltage reducer being used if these characteristic im pedances differ sufficiently to cause, otherwise, considerable re fl ection.
The adjustment of the wave speed on an antenna can be made in such a way as to give not only a desired speed for. a frequency, but also at the same time giving a desired speed for a second frequency. Suppose, for example, that the antenna is heading directly to a station (the transmission whose signals are to be received and a second longer wavelength transmission station is at an angle d _ on the line. direction of the receiving antenna.
For signals from the first station, the wave speed on the antenna should be equal to that of light, while for (signals from the second station, the speed should be
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where C re. presents the speed of light. If one employs an antenna whose natural constants are of suitable values to give a wave speed C, no adjustment would be necessary for the first station, but the wave speed would be too low for the reception of signals coming from the second station are as good as possible.
If, then, series inductors are introduced and their reactance is neutralized by series capacitors for the frequency of the signals coming from the first station, the wave speed for these signals will not be changed, but the speed of uncle will be increased for the longer waves of the second station. The greater the values of the induction and capacitance reactances, the greater the speed for longer waves. It follows that one can choose values of inductance and capacitance which will give the desired speed.
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for signals coming from the second station, while maintaining as is the speed for waves coming from the first station.