FR3124045A1 - Accordeur d’antenne, et antenne accordable comportant cet accordeur d’antenne - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un accordeur d’antenne, cet accordeur d’antenne étant particulièrement adapté aux communications radio employant une antenne dipôle électriquement courte. L’invention concerne aussi une antenne accordable comportant cet accordeur d’antenne.
Un accordeur d’antenne selon l’invention comporte : un accès antenne (1) ayant une première borne (11) et une deuxième borne (12) ; une bobine (4), la bobine ayant un premier enroulement (41), un deuxième enroulement (42) et un troisième enroulement (43), une induction mutuelle voulue existant entre le premier enroulement et le deuxième enroulement, une induction mutuelle voulue existant entre le troisième enroulement et le deuxième enroulement ; une inductance variable (5) ; et un accès utilisateur (7) ayant une première borne (71) et une deuxième borne (72).
Figure pour l’abrégé : Figure 3.
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L’invention concerne un accordeur d’antenne, cet accordeur d’antenne étant particulièrement approprié pour les communications radio employant une antenne dipôle électriquement courte. L’invention concerne aussi une antenne accordable comportant cet accordeur d’antenne.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans la suite, “couplé” fait toujours référence à un couplage électrique. Lorsque ce terme est appliqué à deux entités telles que des bornes, des conducteurs, des noeuds, etc, “couplé” peut indiquer que les entités sont directement couplées, c’est-à-dire connectées (ou, de façon équivalente, en contact électrique) l’une avec l’autre, et/ou que les entités sont indirectement couplées, une interaction électrique différente du couplage direct existant dans ce cas entre les entités, par exemple à travers un ou plusieurs composants. Lorsque ce terme est appliqué à deux entités à plusieurs bornes, telles que des accès, des connecteurs, etc, “couplé” peut indiquer que les entités sont directement couplées, chaque borne d’une des entités étant dans ce cas directement couplée à une et une seule des bornes de l’autre entité, et/ou que les entités sont indirectement couplées, une interaction électrique différente du couplage direct existant dans ce cas entre les bornes des entités, par exemple à travers un ou plusieurs composants. Dans la suite, en accord avec la théorie des circuits, un accès a exactement deux bornes.
Accorder une impédance signifie obtenir qu’une impédance présentée par un accès d’entrée d’un dispositif soit voisine d’une impédance recherchée, et offrir simultanément un transfert de puissance idéalement sans perte, ou presque sans perte, depuis l’accès d’entrée vers un accès de sortie du dispositif, dans un contexte où l’impédance vue par l’accès de sortie peut varier. Ainsi, si un générateur de signal présentant une impédance égale au complexe conjugué de l’impédance recherchée est connecté à l’accès d’entrée, il fournira une puissance maximale à l’accès d’entrée, cette puissance maximale étant appelé “puissance disponible”, et l’accès de sortie délivrera une puissance voisine de cette puissance maximale.
Dans la suite, “accordeur d’antenne” fait toujours référence à un accordeur d’antenne ayant un unique accès antenne et un unique accès utilisateur (l’accès utilisateur étant parfois aussi appelé “accès radio”). L’accès antenne est prévu pour être directement ou indirectement couplé à l’accès signal d’une antenne. L’accès utilisateur est prévu pour être utilisé pour émettre et/ou recevoir des signaux radio, à travers l’accordeur d’antenne et l’antenne. A cette fin, l’accès utilisateur est typiquement directement ou indirectement couplé à un accès d’un émetteur radio, ou d’un récepteur radio, ou d’un émetteur-récepteur radio. Un accordeur d’antenne se comporte, à toute fréquence dans une bande de fréquences donnée, par rapport à son accès antenne et à son accès utilisateur, sensiblement comme un dispositif linéaire passif à 2 accès. Ici, “passif” est utilisé au sens de la théorie des circuits, si bien que l’accordeur d’antenne ne procure pas d’amplification. Un accordeur d’antenne comporte un ou plusieurs dispositifs à impédance réglable ayant chacun une réactance réglable. Régler un accordeur d’antenne signifie régler la réactance d’un ou plusieurs de ses dispositifs à impédance réglable. Un accordeur d’antenne peut être utilisé pour accorder une impédance. Pour accorder une impédance, l’accordeur d’antenne doit être réglé convenablement, c’est-à-dire que les réactances de ses dispositifs à impédance réglable doivent être réglées convenablement.
Un dispositif à impédance réglable est un composant comprenant deux bornes qui se comportent sensiblement comme les bornes d’un bipôle linéaire passif, et qui sont par conséquent caractérisées par une impédance qui peut dépendre de la fréquence, cette impédance étant réglable. Par exemple, un dispositif à impédance réglable peut être réglable par moyen mécanique, par exemple en utilisant une puissance mécanique fournie par un opérateur. Par exemple, un dispositif à impédance réglable peut être réglable par moyen électrique.
Un accordeur d’antenne (en anglais : antenna tuner) est aussi appelé “circuit d’adaptation” (en anglais : matching circuit), “coupleur” (en anglais : coupler), “coupleur d’antenne” (en anglais : antenna coupler), circuit de couplage (en anglais : “coupling circuit”), etc. Malheureusement, ces dénominations alternatives ne mentionnent ni ne suggèrent la caractéristique essentielle d’être réglable. Dans la section “Coupling the Transmitter to the Line” (pages 88 à 99) du chapitre 3 du livre intitulé “The A. R. R. L. Antenna Book”, huitième édition, publié par The American Radio Relay League en 1956, plusieurs circuits d’adaptation sont par exemple décrits, ces circuits d’adaptation étant en fait des accordeurs d’antenne car ils incluent un condensateur variable et/ou une inductance variable. Dans le chapitre 6 (pages 182 à 186) du même livre (“The A. R. R. L. Antenna Book”, huitième édition), plusieurs coupleurs, coupleurs d’antenne et circuits de couplage sont par exemple décrits, ces dispositifs étant en fait des accordeurs d’antenne car ils incluent un condensateur variable et/ou une inductance variable. Des informations supplémentaires sur les accordeurs d’antenne peuvent être trouvées dans le livre de J.R. Hallas intitulé “The ARRL Guide to Antenna Tuners”, publié par The American Radio Relay League en 2012.
Un premier accordeur d’antenne de l’état de l’art antérieur, approprié pour être utilisé avec une antenne équilibrée (en anglais : balanced antenna), est montré sur la et comporte :
- un accès antenne (1) ayant une première borne (11) et une deuxième borne (12) ;
- un premier condensateur variable (31) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du premier condensateur variable étant couplée à la première borne de l’accès antenne, la deuxième borne du premier condensateur variable étant couplée à la deuxième borne de l’accès antenne ;
- une bobine (2), la bobine ayant un premier enroulement (21) et un deuxième enroulement (22), une induction mutuelle voulue existant entre le premier enroulement et le deuxième enroulement, le premier enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du premier enroulement étant couplée à la première borne du premier condensateur variable, la deuxième borne du premier enroulement étant couplée à la deuxième borne du premier condensateur variable, le deuxième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne ;
- un deuxième condensateur variable (32) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du deuxième condensateur variable étant couplée à la deuxième borne du deuxième enroulement ;
- un accès utilisateur (7) ayant une première borne (71) et une deuxième borne (72), la première borne de l’accès utilisateur étant couplée à la première borne du deuxième enroulement, la deuxième borne de l’accès utilisateur étant couplée à la deuxième borne du deuxième condensateur variable.
Un deuxième accordeur d’antenne de l’état de l’art antérieur, approprié pour être utilisé avec une antenne équilibrée, est montré sur la et comporte :
- un accès antenne (1) ayant une première borne (11) et une deuxième borne (12) ;
- un premier condensateur variable (33) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du premier condensateur variable étant couplée à la première borne de l’accès antenne ;
- un deuxième condensateur variable (34) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du deuxième condensateur variable étant couplée à la deuxième borne de l’accès antenne ;
- une bobine (2), la bobine ayant un premier enroulement (21) et un deuxième enroulement (22), une induction mutuelle voulue existant entre le premier enroulement et le deuxième enroulement, le premier enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du premier enroulement étant couplée à la deuxième borne du premier condensateur variable, la deuxième borne du premier enroulement étant couplée à la deuxième borne du deuxième condensateur variable, le deuxième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne ;
- un troisième condensateur variable (35) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du troisième condensateur variable étant couplée à la deuxième borne du deuxième enroulement ;
- un accès utilisateur (7) ayant une première borne (71) et une deuxième borne (72), la première borne de l’accès utilisateur étant couplée à la première borne du deuxième enroulement, la deuxième borne de l’accès utilisateur étant couplée à la deuxième borne du troisième condensateur variable.
Le spécialiste comprend la différence entre une induction mutuelle voulue et une induction mutuelle non voulue. L’effet d’une induction mutuelle non voulue est souvent appelé “inductance mutuelle parasite”. Le spécialiste comprend pourquoi une induction mutuelle est voulue entre les enroulements des bobines considérées dans le premier accordeur d’antenne de l’état de l’art antérieur montré sur la , et dans le deuxième accordeur d’antenne de l’état de l’art antérieur montré sur la .
Le spécialiste comprend pourquoi le premier accordeur d’antenne de l’état de l’art antérieur est approprié pour être utilisé avec une antenne équilibrée, en particulier si les capacités parasites du premier condensateur variable montré sur la sont bien équilibrées. Le spécialiste comprend pourquoi, si le premier condensateur variable et le deuxième condensateur variable montrés sur la sont identiques et identiquement réglés, le deuxième accordeur d’antenne de l’état de l’art antérieur est approprié pour être utilisé avec une antenne équilibrée.
Malheureusement, les accordeurs d’antenne de l’état de l’art antérieur ne donnent pas de bons résultats lorsqu’ils sont utilisés avec une antenne dipôle électriquement courte alimentée en son milieu (qui est une antenne équilibrée), dans des cas où l’accès antenne voit une réactance négative. Ceci est dû à ce que, dans ces cas, ces accordeurs d’antenne ont des pertes importantes et/ou fournissent une bande passante très étroite.
L’invention a pour objet un accordeur d’antenne approprié pour être utilisé avec une antenne équilibrée, dépourvu des limitations mentionnées ci-dessus des techniques connues, et aussi une antenne accordable comportant cet accordeur d’antenne.
Un accordeur d’antenne selon l’invention comporte :
- un accès antenne ayant une première borne et une deuxième borne ;
- une bobine, la bobine ayant un premier enroulement, un deuxième enroulement et un troisième enroulement, une induction mutuelle voulue existant entre le premier enroulement et le deuxième enroulement, une induction mutuelle voulue existant entre le troisième enroulement et le deuxième enroulement, le premier enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le deuxième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le troisième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du premier enroulement étant couplée à la première borne de l’accès antenne, la deuxième borne du troisième enroulement étant couplée à la deuxième borne de l’accès antenne ;
- une inductance variable ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne de l’inductance variable étant couplée à la deuxième borne du premier enroulement, la deuxième borne de l’inductance variable étant couplée à la première borne du troisième enroulement ; et
- un accès utilisateur ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne de l’accès utilisateur étant couplée à la première borne du deuxième enroulement, la deuxième borne de l’accès utilisateur étant couplée à la deuxième borne du deuxième enroulement.
Dans ce qui suit, en accord avec le “IEC multilingual dictionary of electricity” édité par leBureau Central de la Commission Electrotechnique Internationaleen 1983, une prise est une connexion établie en un point intermédiaire d’un enroulement. Il est possible que ledit premier enroulement comporte une ou plusieurs prises. Il est possible que ledit deuxième enroulement comporte une ou plusieurs prises. Il est possible que ledit troisième enroulement comporte une ou plusieurs prises.
D’autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés dans les dessins annexés sur lesquels :
- la représente un schéma d’un premier accordeur d’antenne approprié pour être utilisé avec une antenne équilibrée, et a déjà été commentée dans la partie consacrée à l’exposé de l’état de la technique antérieure ;
- la représente un schéma d’un deuxième accordeur d’antenne approprié pour être utilisé avec une antenne équilibrée, et a déjà été commentée dans la partie consacrée à l’exposé de l’état de la technique antérieure ;
- la représente un schéma d’un accordeur d’antenne selon l’invention (premier mode de réalisation) ;
- la représente un schéma d’un accordeur d’antenne selon l’invention (premier mode de réalisation) ;
- la représente un schéma d’un accordeur d’antenne selon l’invention (deuxième mode de réalisation) ;
- la représente un schéma d’un accordeur d’antenne selon l’invention (troisième mode de réalisation) ; et
- la représente un schéma d’une antenne accordable comportant un accordeur d’antenne selon l’invention (quatrième mode de réalisation).
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE CERTAINS MODES DE RÉALISATION
Premier mode de réalisation.
Au titre d’un premier mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention, donné à titre d’exemple non limitatif, nous avons représenté sur la le schéma d’un accordeur d’antenne comportant :
- un accès antenne (1) ayant une première borne (11) et une deuxième borne (12) ;
- une bobine (4), la bobine ayant un premier enroulement (41), un deuxième enroulement (42) et un troisième enroulement (43), une induction mutuelle voulue existant entre le premier enroulement et le deuxième enroulement, une induction mutuelle voulue existant entre le troisième enroulement et le deuxième enroulement, le premier enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le deuxième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le troisième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du premier enroulement étant directement couplée à la première borne de l’accès antenne, la deuxième borne du troisième enroulement étant directement couplée à la deuxième borne de l’accès antenne ;
- une inductance variable (5) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne de l’inductance variable étant directement couplée à la deuxième borne du premier enroulement, la deuxième borne de l’inductance variable étant directement couplée à la première borne du troisième enroulement ; et
- un accès utilisateur (7) ayant une première borne (71) et une deuxième borne (72), la première borne de l’accès utilisateur étant directement couplée à la première borne du deuxième enroulement, la deuxième borne de l’accès utilisateur étant directement couplée à la deuxième borne du deuxième enroulement.
L’inductance variable est un dispositif à impédance réglable, et l’inductance variable est réglable par moyen mécanique, en utilisant une puissance mécanique fournie par un opérateur.
Il est possible que l’inductance variable puisse procurer, à une fréquence donnée, un ensemble continu de valeurs de réactance. Par exemple, l’inductance variable peut dans ce cas être une bobine à noyau plongeur, ou un variomètre, ou une inductance à roulette (en anglais : roller inductor), etc.
Alternativement, il est possible que l’inductance variable puisse seulement procurer, à une fréquence donnée, un ensemble fini de valeurs de réactance. Par exemple, l’inductance variable peut dans ce cas être un réseau comportant une pluralité d’enroulements et/ou de tronçons de ligne de transmission en court-circuit et un ou plusieurs interrupteurs ou commutateurs contrôlés mécaniquement, utilisés pour faire contribuer différents enroulements ou différents tronçons de ligne de transmission en court-circuit du réseau à la réactance.
La bobine est un transformateur haute fréquence. Si l’accès utilisateur est couplé, directement ou indirectement, à un accès de sortie d’un émetteur radio, et si l’accès antenne est couplé, directement ou indirectement, à un accès signal d’une antenne utilisée pour l’émission, nous voyons que le deuxième enroulement est un primaire de ce transformateur haute fréquence, et que le premier enroulement et le troisième enroulement forment un secondaire de ce transformateur haute fréquence.
Le spécialiste comprend qu’un courant de mode commun est empêché de sortir de l’accès antenne, parce que l’accès antenne est isolé électriquement du primaire. Ainsi, le spécialiste comprend que l’accordeur d’antenne représenté sur la est approprié pour être utilisé avec une antenne équilibrée couplée à l’accès antenne, en particulier si : une self-inductance du premier enroulement est sensiblement égale à une self-inductance du troisième enroulement ; une inductance mutuelle entre le premier enroulement et le deuxième enroulement est sensiblement égale à une inductance mutuelle entre le troisième enroulement et le deuxième enroulement ; les capacités parasites du premier enroulement et du troisième enroulement sont suffisamment faibles et/ou bien équilibrées ; et les capacités parasites de l’inductance variable sont suffisamment faibles et/ou bien équilibrées.
Considérons à présent une antenne dipôle, qui est une antenne équilibrée. A n’importe quelle fréquence dans une bande de fréquences donnée, cette antenne dipôle est électriquement courte, c’est-à-dire que la longueur de l’antenne dipôle est très inférieure à la moitié de la longueur d’onde dans le vide qui correspond à ladite fréquence dans une bande de fréquences donnée. Par conséquent, cette antenne présente, à ladite fréquence dans une bande de fréquences donnée, une réactance qui est négative et une résistance qui est positive et très inférieure à l’opposé de la réactance. Si l’antenne dipôle est directement couplée à l’accès antenne, ou si l’antenne dipôle est indirectement couplée à l’accès antenne, à travers une ligne de transmission suffisamment courte, alors il est possible qu’une hypothèse relative à l’impédance vue par l’accès antenne soit satisfaite, l’hypothèse relative à l’impédance vue par l’accès antenne étant : à n’importe quelle fréquence dans la bande de fréquences donnée, l’accès antenne voit une réactance négative et une résistance qui est positive et inférieure à l’opposé de la réactance négative, une valeur absolue de la réactance négative étant inférieure ou égale à 500 ohms.
Ledit transformateur haute fréquence a un coefficient de couplage entre son primaire et son secondaire, ce coefficient de couplage étant inférieur à 8/10. L’hypothèse relative à l’impédance vue par l’accès antenne étant satisfaite, et l’accordeur d’antenne étant utilisé à une fréquence dans la bande de fréquences donnée, le spécialiste comprend que l’inductance variable doit être réglée pour que ladite fréquence dans la bande de fréquences donnée soit proche d’une fréquence de résonance, la fréquence de résonance correspondant à une résonance mettant en jeu : premièrement une impédance vue par l’accès antenne, cette impédance ayant une partie imaginaire (réactance) négative ; et deuxièmement une impédance présentée par le premier enroulement connecté en série avec l’inductance variable connectée en série avec le troisième enroulement, cette impédance ayant une partie imaginaire (réactance) positive.
L’hypothèse relative à l’impédance vue par l’accès antenne étant satisfaite, la bobine est dimensionnée pour que, à n’importe quelle fréquence dans la bande de fréquences donnée, il soit possible de régler l’inductance variable pour obtenir que le deuxième enroulement présente une conductance positive et une susceptance négative, la conductance positive étant voisine d’une conductance positive voulue, la susceptance négative étant appropriée pour être facilement annulée en utilisant une capacité connectée en parallèle avec le deuxième enroulement.
Ainsi, il est possible que, comme montré sur la , l’accordeur d’antenne comporte en outre un dispositif à capacité réglable (36) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du dispositif à capacité réglable étant couplée à la première borne du deuxième enroulement, la deuxième borne du dispositif à capacité réglable étant couplée à la deuxième borne du deuxième enroulement. Nous voyons que le dispositif à capacité réglable est connecté en parallèle avec l’accès utilisateur, et est connecté en parallèle avec le deuxième enroulement. Dans la , la deuxième borne de l’accès utilisateur est mise à la masse, car l’accès utilisateur correspond à un connecteur coaxial, le conducteur interne du connecteur coaxial étant la première borne de l’accès utilisateur, le conducteur externe du connecteur coaxial étant la deuxième borne de l’accès utilisateur.
Le dispositif à capacité réglable est un dispositif à impédance réglable, et le dispositif à capacité réglable est réglable par moyen mécanique.
Il est possible que le dispositif à capacité réglable puisse procurer, à une fréquence donnée, un ensemble continu de valeurs de réactance. Par exemple, le dispositif à capacité réglable peut dans ce cas être un condensateur variable.
Alternativement, il est possible que le dispositif à capacité réglable puisse seulement procurer, à une fréquence donnée, un ensemble fini de valeurs de réactance. Par exemple, le dispositif à capacité réglable peut dans ce cas être un réseau comportant une pluralité de condensateurs ou de tronçons de ligne de transmission en circuit ouvert et un ou plusieurs interrupteurs ou commutateurs contrôlés mécaniquement, utilisés pour faire contribuer différents condensateurs ou différents tronçons de ligne de transmission en circuit ouvert du réseau à la réactance.
A n’importe quelle fréquence dans la bande de fréquences donnée, il est possible de régler le dispositif à capacité réglable pour que sa susceptance positive soit voisine de l’opposé de ladite susceptance négative. Par exemple, ladite conductance positive voulue peut être indépendante de la fréquence et égale à 20 millisiemens. Dans ce cas, à n’importe quelle fréquence dans la bande de fréquences donnée, il est possible de régler l’inductance variable et le dispositif à capacité réglable pour que l’accès utilisateur présente une conductance voisine de la conductance positive voulue et une susceptance sensiblement nulle, donc de façon à ce que l’accès utilisateur présente une impédance voisine de 50 ohms.
L’hypothèse relative à l’impédance vue par l’accès antenne étant satisfaite, le spécialiste comprend que, dans les accordeurs d’antenne de l’état de l’art antérieur représentés sur la et sur la , des condensateurs variables (31) (33) (34) rendent le facteur de qualité vu par le premier enroulement (21) plus grand que le facteur de qualité vu par l’accès antenne. Le spécialiste comprend que, pour cette raison, ces accordeurs d’antenne ont des pertes importantes et/ou fournissent une bande passante très étroite. Au contraire, selon l’invention, l’ensemble formé par le secondaire du transformateur haute fréquence et l’inductance variable voit un facteur de qualité qui est égal au facteur de qualité vu par l’accès antenne, si bien que les pertes peuvent être plus faibles et la bande passante plus large.
Par conséquent, l’invention est une solution au problème d’obtenir un accordeur d’antenne approprié pour être utilisé avec une antenne équilibrée, et qui donne de bons résultats lorsqu’il est utilisé avec une antenne dipôle électriquement courte, dans des cas où l’accès antenne voit une réactance négative.
Deuxième mode de réalisation.
Au titre d’un deuxième mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention, donné à titre d’exemple non limitatif, nous avons représenté sur la le schéma d’un accordeur d’antenne comportant :
- un accès antenne (1) ayant une première borne (11) et une deuxième borne (12) ;
- une bobine (4), la bobine ayant un premier enroulement (41), un deuxième enroulement (42) et un troisième enroulement (43), une induction mutuelle existant entre le premier enroulement et le deuxième enroulement, une induction mutuelle existant entre le troisième enroulement et le deuxième enroulement, le premier enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le deuxième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le troisième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du premier enroulement étant couplée à la première borne de l’accès antenne, la deuxième borne du troisième enroulement étant couplée à la deuxième borne de l’accès antenne ;
- une inductance variable (5) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne de l’inductance variable étant couplée à la deuxième borne du premier enroulement, la deuxième borne de l’inductance variable étant couplée à la première borne du troisième enroulement ;
- un dispositif à capacité réglable (37) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du dispositif à capacité réglable étant couplée à la deuxième borne du deuxième enroulement, la deuxième borne du dispositif à capacité réglable étant mise à la masse ; et
- un accès utilisateur (7) ayant une première borne (71) et une deuxième borne (72), la première borne de l’accès utilisateur étant couplée à la première borne du deuxième enroulement, la deuxième borne de l’accès utilisateur étant indirectement couplée à la deuxième borne du deuxième enroulement, à travers le dispositif à capacité réglable.
L’inductance variable est un dispositif à impédance réglable, et l’inductance variable est réglable par moyen électrique. Cependant, les circuits et les liaisons de contrôle nécessaires pour régler la réactance de l’inductance variable ne sont pas montrés sur la .
Il est possible que l’inductance variable puisse procurer, à une fréquence donnée, un ensemble continu de valeurs de réactance. Par exemple, l’inductance variable peut dans ce cas être un variomètre motorisé, ou une inductance à roulette motorisée (en anglais : motorized roller inductor), etc.
Alternativement, il est possible que l’inductance variable puisse seulement procurer, à une fréquence donnée, un ensemble fini de valeurs de réactance. Par exemple, l’inductance variable peut dans ce cas être un réseau comportant une pluralité d’enroulements et/ou de tronçons de ligne de transmission en court-circuit et un ou plusieurs interrupteurs ou commutateurs contrôlés électriquement, comme des relais électromécaniques ou des interrupteurs micro-électromécaniques, utilisés pour faire contribuer différents enroulements ou différents tronçons de ligne de transmission en court-circuit du réseau à la réactance.
Le dispositif à capacité réglable est un dispositif à impédance réglable, et le dispositif à capacité réglable est réglable par moyen électrique. Cependant, les circuits et les liaisons de contrôle nécessaires pour régler la réactance du dispositif à capacité réglable ne sont pas montrés sur la .
Il est possible que le dispositif à capacité réglable puisse procurer, à une fréquence donnée, un ensemble continu de valeurs de réactance. Par exemple, le dispositif à capacité réglable peut dans ce cas être un condensateur variable motorisé, ou (pour une puissance suffisamment faible) un dispositif à impédance réglable basé sur l’utilisation d’une diode à capacité variable ; ou d’un composant MOS à capacité variable (en anglais : “MOS varactor”) ; ou d’un composant microélectromécanique à capacité variable (en anglais : “MEMS varactor”) ; ou d’un composant ferroélectrique à capacité variable (en anglais : “ferroelectric varactor”).
Alternativement, il est possible que le dispositif à capacité réglable puisse seulement procurer, à une fréquence donnée, un ensemble fini de valeurs de réactance. Par exemple, le dispositif à capacité réglable peut dans ce cas être un réseau comportant une pluralité de condensateurs ou de tronçons de ligne de transmission en circuit ouvert et un ou plusieurs interrupteurs ou commutateurs contrôlés électriquement, comme des relais électromécaniques, ou des interrupteurs micro-électromécaniques, utilisés pour faire contribuer différents condensateurs ou différents tronçons de ligne de transmission en circuit ouvert du réseau à la réactance.
Nous voyons que le dispositif à capacité réglable est connecté en série avec le deuxième enroulement.
La bobine est caractérisée par : une self-inductance du premier enroulement, notéeL E 1; une self-inductance du deuxième enroulement, notéeL E 2; une self-inductance du troisième enroulement, notéeL E 3; une inductance mutuelle entre le premier enroulement et le deuxième enroulement, notéeM E 12et qui est égale à une inductance mutuelle entre le deuxième enroulement et le premier enroulement ; une inductance mutuelle entre le premier enroulement et le troisième enroulement, notéeM E 13et qui est égale à une inductance mutuelle entre le troisième enroulement et le premier enroulement ; et une inductance mutuelle entre le deuxième enroulement et le troisième enroulement, notéeM E 23et qui est égale à une inductance mutuelle entre le troisième enroulement et le deuxième enroulement.
La bobine est un transformateur haute fréquence. Si l’accès utilisateur est couplé, directement ou indirectement, à un accès de sortie d’un émetteur radio, et si l’accès antenne est couplé, directement ou indirectement, à un accès signal d’une antenne utilisée pour l’émission, nous voyons que le deuxième enroulement est un primaire de ce transformateur haute fréquence, et que le premier enroulement et le troisième enroulement forment un secondaire de ce transformateur haute fréquence. Le transformateur haute fréquence est caractérisée par : une self-inductance du primaire, notéeL T 1; une self-inductance du secondaire, notéeL T 2; et une inductance mutuelle entre le primaire et le secondaire, notéeM T 12et qui est égale à une inductance mutuelle entre le secondaire et le primaire. Le spécialiste comprend que :
- L T 1est égal àL E 2 ;
- L T 2est égal àL E 1+L E 3+ 2M E 13 ;et
- M T 12est égal àM E 12+M E 23.
Le spécialiste comprend qu’un courant de mode commun ne peut pas sortir de l’accès antenne, parce que l’accès antenne est isolé électriquement du primaire et de la masse. Ainsi, le spécialiste comprend que l’accordeur d’antenne représenté sur la est approprié pour être utilisé avec une antenne équilibrée couplée à l’accès antenne, en particulier si :
- L E 1est sensiblement égal àL E 3;
- M E 12est sensiblement égal àM E 23;
- les capacités parasites du premier enroulement et du troisième enroulement sont suffisamment faibles et/ou bien équilibrées ; et
- les capacités parasites de l’inductance variable sont suffisamment faibles et/ou bien équilibrées.
Une bande de fréquences donnée est la bande 80 mètres du service amateur en région 1 de l’UIT, c’est-à-dire de 3,5 MHz à 3,8 MHz. Considérons une antenne dipôle alimentée en son milieu, qui est une antenne équilibrée, ayant une longueur totale égale à environ 16,55 mètres. A n’importe quelle fréquence dans la bande de fréquences donnée, cette antenne dipôle est électriquement courte, c’est-à-dire que la longueur de l’antenne dipôle est très inférieure à la moitié de la longueur d’onde dans le vide qui correspond à ladite fréquence dans la bande de fréquences donnée. Par conséquent, cette antenne présente, à ladite fréquence dans la bande de fréquences donnée, une réactance qui est négative et une résistance qui est positive et très inférieure à l’opposé de la réactance. Cette antenne dipôle est indirectement couplée à l’accès antenne, à travers une ligne en échelle (aussi appelée “ligne à fils parallèles”, et “ladder line” en anglais) de longueur égale à environ 7,89 mètres. Des mesures montrent qu’à n’importe quelle fréquence dans la bande de fréquences donnée, l’accès antenne voit une réactance négative et une résistance qui est positive et inférieure à 7 ohms, une valeur absolue de la réactance négative étant inférieure à 350 ohms et supérieure à 250 ohms. Plus précisément, l’accès antenne voit une impédance d’environ 3,8 –j330 ohms à 3,50 MHz, une impédance d’environ 4,6 –j296 ohms à 3,65 MHz, ainsi qu’une impédance d’environ 5,6 –j263 ohms à 3,80 MHz.
La bobine est dimensionnée pour que, à n’importe quelle fréquence dans la bande de fréquences donnée, il soit possible de régler l’inductance variable pour obtenir que le deuxième enroulement présente une résistance positive et une réactance positive, la résistance positive étant voisine d’une résistance positive voulue, la réactance positive étant telle qu’il soit possible de régler le dispositif à capacité réglable pour que sa réactance négative soit voisine de l’opposé de ladite réactance positive. Par exemple, ladite résistance positive voulue peut être indépendante de la fréquence et égale à 50 ohms. Dans ce cas, à n’importe quelle fréquence dans la bande de fréquences donnée, il est possible de régler l’inductance variable et le dispositif à capacité réglable pour que l’accès utilisateur présente une résistance voisine de la résistance positive voulue et une réactance sensiblement nulle, donc de façon à ce que l’accès utilisateur présente une impédance voisine de 50 ohms.
Dans ce cas, un dimensionnement possible conduit à une self-inductanceL T 1égale à 3,50 μH; une self-inductanceL T 2égale à 6,80 μH, et une inductance mutuelleM T 12égale à 1,40 μH.
Si nous supposons que la bobine, l’inductance variable et le dispositif à capacité réglable sont sans pertes, nous obtenons les résultats suivants pour l’accordeur d’antenne de ce deuxième mode de réalisation :
- pour obtenir que l’accès utilisateur présente une impédance voisine de 50 ohms à 3,50 MHz, il suffit que l’inductance variable ait une inductance proche de 7,85 μH et que le dispositif à capacité réglable ait une capacité proche de 256 pF, valeurs pour lesquelles nous obtenons une bande passante d’environ 16,0 kHz pour un rapport d’ondes stationnaires (ROS) inférieur à 2 ;
- pour obtenir que l’accès utilisateur présente une impédance voisine de 50 ohms à 3,65 MHz, il suffit que l’inductance variable ait une inductance proche de 5,72 μH et que le dispositif à capacité réglable ait une capacité proche de 251 pF, valeurs pour lesquelles nous obtenons une bande passante d’environ 21,1 kHz pour un rapport d’ondes stationnaires inférieur à 2 ; et
- pour obtenir que l’accès utilisateur présente une impédance voisine de 50 ohms à 3,80 MHz, il suffit que l’inductance variable ait une inductance proche de 3,82 μH, et que le dispositif à capacité réglable ait une capacité proche de 246 pF, valeurs pour lesquelles nous obtenons une bande passante d’environ 27,4 kHz pour un rapport d’ondes stationnaires inférieur à 2.
Au contraire, en utilisant les accordeurs d’antenne représentés sur la et la , si nous supposons que les bobines et les condensateurs variables sont sans pertes, les bandes passantes obtenues aux mêmes fréquences, pour un rapport d’ondes stationnaires inférieur à 2, sont plus étroites.
Si nous supposons que la bobine et l’inductance variable ont un facteur de qualité de 120, et que le dispositif à capacité réglable est sans pertes, nous obtenons les résultats suivants pour l’accordeur d’antenne de ce deuxième mode de réalisation :
- pour obtenir que l’accès utilisateur présente une impédance voisine de 50 ohms à 3,50 MHz, il suffit que l’inductance variable ait une inductance proche de 7,78 μH et que le dispositif à capacité réglable ait une capacité proche de 311 pF, valeurs pour lesquelles nous obtenons une bande passante d’environ 27,8 kHz pour un rapport d’ondes stationnaires inférieur à 2, et une perte de puissance d’environ 2,38 dB à 3,50 MHz ;
- pour obtenir que l’accès utilisateur présente une impédance voisine de 50 ohms à 3,65 MHz, il suffit que l’inductance variable ait une inductance proche de 5,66 μH et que le dispositif à capacité réglable ait une capacité proche de 291 pF, valeurs pour lesquelles nous obtenons une bande passante d’environ 32,5 kHz pour un rapport d’ondes stationnaires inférieur à 2, et une perte de puissance d’environ 1,87 dB à 3,65 MHz ; et
- pour obtenir que l’accès utilisateur présente une impédance voisine de 50 ohms à 3,80 MHz, il suffit que l’inductance variable ait une inductance proche de 3,77 μH, et que le dispositif à capacité réglable ait une capacité proche de 275 pF, valeurs pour lesquelles nous obtenons une bande passante d’environ 38,4 kHz pour un rapport d’ondes stationnaires inférieur à 2, et une perte de puissance d’environ 1,45 dB à 3,80 MHz.
Au contraire, en utilisant les accordeurs d’antenne représentés sur la et la , si nous supposons que les bobines ont un facteur de qualité de 120 et que les condensateurs variables sont sans pertes, les pertes de puissance obtenues aux mêmes fréquences sont supérieures.
Nous voyons que, selon l’invention, les pertes peuvent être plus faibles et la bande passante plus large que celles obtenues en utilisant les accordeurs d’antenne représentés sur la et la . Ceci est dû à ce que, selon l’invention, l’ensemble formé par le secondaire du transformateur haute fréquence et l’inductance variable voit un facteur de qualité qui n’est pas augmenté par une capacité en parallèle (présente dans l’accordeur d’antenne montré sur la ) ou par une ou plusieurs capacités en série (présentes dans l’accordeur d’antenne montré sur la ), si bien que ce facteur de qualité est égal au facteur de qualité vu par l’accès antenne.
Par conséquent, l’invention est une solution au problème d’obtenir un accordeur d’antenne approprié pour être utilisé avec une antenne équilibrée, et qui donne de bons résultats lorsqu’il est utilisé avec une antenne dipôle électriquement courte, dans des cas où l’accès antenne voit une réactance négative.
L’inductance variable et le dispositif à capacité réglable étant réglables par moyen électrique, l’accordeur d’antenne peut être une partie d’un accordeur d’antenne automatique, par exemple un accordeur d’antenne automatique mettant en oeuvre n’importe lequel des procédés de commande décrits dans l’article de F. Broydé et E. Clavelier intitulé “A Typology of Antenna Tuner Control Schemes, for One or More Antennas”, publié dansExcem Research Papers in Electronics and Electromagnetics, n° 1, doi: 10.5281/zenodo.3902749, en juin 2020. Par exemple, l’accordeur d’antenne automatique pourrait mettre en oeuvre le procédé divulgué dans le brevet français n° 1800872, intitulé “Procédé pour réglage automatique d’une unité d’accord, et appareil pour communication radio utilisant ce procédé”, et dans la demande internationale n° PCT/IB2019/056447 du 29 juillet 2019 (WO 2020/035756), intitulée “Method for automatic adjustment of a tuning unit, and apparatus for radio communication using this method”.
Troisième mode de réalisation.
Au titre d’un troisième mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention, donné à titre d’exemple non limitatif, nous avons représenté sur la le schéma d’un accordeur d’antenne comportant :
- un accès antenne (1) ayant une première borne (11) et une deuxième borne (12) ;
- un commutateur rotatif à deux circuits et 3 positions (6) comportant un premier commutateur à un circuit et 3 positions (61) et un deuxième commutateur à un circuit et 3 positions (63) ;
- une bobine (4), la bobine ayant un premier enroulement (41), un deuxième enroulement (42) et un troisième enroulement (43), une induction mutuelle existant entre le premier enroulement et le deuxième enroulement, une induction mutuelle existant entre le troisième enroulement et le deuxième enroulement, le premier enroulement ayant une première extrémité, une première prise, une deuxième prise et une deuxième extrémité, le premier enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du premier enroulement étant sélectionnée par le premier commutateur à un circuit et 3 positions parmi la première extrémité du premier enroulement, la première prise du premier enroulement et la deuxième prise du premier enroulement, la deuxième borne du premier enroulement étant la deuxième extrémité du premier enroulement, le deuxième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le troisième enroulement ayant une première extrémité, une première prise, une deuxième prise et une deuxième extrémité, le troisième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du troisième enroulement étant la deuxième extrémité du troisième enroulement, la deuxième borne du troisième enroulement étant sélectionnée par le deuxième commutateur à un circuit et 3 positions parmi la première extrémité du troisième enroulement, la première prise du troisième enroulement et la deuxième prise du troisième enroulement, la première borne du premier enroulement étant couplée à la première borne de l’accès antenne, la deuxième borne du troisième enroulement étant couplée à la deuxième borne de l’accès antenne ;
- une inductance variable (5) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne de l’inductance variable étant couplée à la deuxième borne du premier enroulement, la deuxième borne de l’inductance variable étant couplée à la première borne du troisième enroulement ;
- un dispositif à capacité réglable (38) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du dispositif à capacité réglable étant couplée à la première borne du deuxième enroulement ; et
- un accès utilisateur (7) ayant une première borne (71) et une deuxième borne (72), la première borne de l’accès utilisateur étant indirectement couplée à la première borne du deuxième enroulement, à travers le dispositif à capacité réglable, la deuxième borne de l’accès utilisateur étant couplée à la deuxième borne du deuxième enroulement.
Le spécialiste comprend que le commutateur rotatif à deux circuits et 3 positions, l’inductance variable et le dispositif à capacité réglable peuvent être utilisés pour régler l’accordeur d’antenne dans une large bande de fréquence.
Quatrième mode de réalisation.
Au titre d’un quatrième mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention, donné à titre d’exemple non limitatif, nous avons représenté sur la le schéma d’une antenne accordable comportant un accordeur d’antenne selon l’invention. L’antenne accordable comporte :
- une antenne passive (8) ayant un accès signal (83) ;
- un accès antenne (1) ayant une première borne (11) et une deuxième borne (12), l’accès antenne étant couplé à l’accès signal ;
- une bobine (4), la bobine ayant un premier enroulement (41), un deuxième enroulement (42) et un troisième enroulement (43), une induction mutuelle voulue existant entre le premier enroulement et le deuxième enroulement, une induction mutuelle voulue existant entre le troisième enroulement et le deuxième enroulement, le premier enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le deuxième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le troisième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du premier enroulement étant directement couplée à la première borne de l’accès antenne, la deuxième borne du troisième enroulement étant directement couplée à la deuxième borne de l’accès antenne ;
- une inductance variable (5) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne de l’inductance variable étant directement couplée à la deuxième borne du premier enroulement, la deuxième borne de l’inductance variable étant directement couplée à la première borne du troisième enroulement ; et
- un accès utilisateur (7) ayant une première borne (71) et une deuxième borne (72), la première borne de l’accès utilisateur étant couplée à la première borne du deuxième enroulement, la deuxième borne de l’accès utilisateur étant couplée à la deuxième borne du deuxième enroulement.
L’antenne passive (8) a un premier conducteur (81) et un deuxième conducteur (82). Par exemple, il est possible qu’une longueur du premier conducteur soit voisine d’une longueur du deuxième conducteur, et que l’antenne passive soit une antenne équilibrée. Par exemple, il est possible que l’antenne passive soit une antenne dipôle alimentée en son milieu.
L’accès signal (83) a une première borne (831) et une deuxième borne (832). L’accès signal est utilisé pour recevoir et/ou pour émettre des ondes électromagnétiques, à travers l’antenne passive.
L’antenne accordable comporte en outre une liaison d’antenne (9) ayant une première extrémité et une seconde extrémité, la première extrémité étant couplée à l’accès signal. L’accès antenne est couplé à la seconde extrémité de la liaison d’antenne, si bien que l’accès antenne est indirectement couplé à l’accès signal, à travers la liaison d’antenne. Alternativement, l’accès antenne pourrait être directement couplé à l’accès signal.
Par exemple, il est possible que la liaison d’antenne, aussi appelée “feeder”, soit une ligne de transmission équilibrée. Par exemple, pour des fréquences inférieures à 200 MHz, il est possible que la liaison d’antenne soit du type appelé “air-insulated line” ou “ladder line” en anglais, ou du type appelé “window line” en anglais, ou du type appelé “twin lead” en anglais. Par exemple, pour des fréquences supérieures à 100 MHz, il est possible que le premier conducteur, le deuxième conducteur et la liaison d’antenne soient réalisés sur ou dans un circuit imprimé.
Il est possible que l’antenne accordable comporte en outre un dispositif à capacité réglable, le dispositif à capacité réglable étant connecté en parallèle avec le deuxième enroulement, ou en série avec le deuxième enroulement.
INDICATIONS SUR LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES
L’accordeur d’antenne selon l’invention est approprié pour les communications radio dans une bande de fréquence donnée, en utilisant une antenne équilibrée présentant une réactance négative dans la bande de fréquence donnée, par exemple une antenne dipôle électriquement courte. L’antenne accordable selon l’invention est appropriée pour les communications radio dans une bande de fréquence où elle est électriquement courte. L’antenne accordable selon l’invention est donc compacte, et elle est peu coûteuse.
Claims (10)
- Accordeur d’antenne comportant :
- un accès antenne (1) ayant une première borne (11) et une deuxième borne (12) ;
- une bobine (4), la bobine ayant un premier enroulement (41), un deuxième enroulement (42) et un troisième enroulement (43), une induction mutuelle voulue existant entre le premier enroulement et le deuxième enroulement, une induction mutuelle voulue existant entre le troisième enroulement et le deuxième enroulement, le premier enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le deuxième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le troisième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du premier enroulement étant couplée à la première borne de l’accès antenne, la deuxième borne du troisième enroulement étant couplée à la deuxième borne de l’accès antenne ;
- une inductance variable (5) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne de l’inductance variable étant couplée à la deuxième borne du premier enroulement, la deuxième borne de l’inductance variable étant couplée à la première borne du troisième enroulement ; et
- un accès utilisateur (7) ayant une première borne (71) et une deuxième borne (72), la première borne de l’accès utilisateur étant couplée à la première borne du deuxième enroulement, la deuxième borne de l’accès utilisateur étant couplée à la deuxième borne du deuxième enroulement.
- Accordeur d’antenne selon la revendication 1, comportant en outre un dispositif à capacité réglable (36), le dispositif à capacité réglable étant connecté en parallèle avec le deuxième enroulement.
- Accordeur d’antenne selon la revendication 1, comportant en outre un dispositif à capacité réglable (37), le dispositif à capacité réglable étant connecté en série avec le deuxième enroulement.
- Accordeur d’antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier enroulement comporte une ou plusieurs prises, et dans lequel le troisième enroulement comporte une ou plusieurs prises.
- Accordeur d’antenne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le deuxième enroulement comporte une ou plusieurs prises.
- Antenne accordable comportant :
- une antenne passive (8) ayant un accès signal (83) ;
- un accès antenne (1) ayant une première borne (11) et une deuxième borne (12), l’accès antenne étant couplé à l’accès signal ;
- une bobine (4), la bobine ayant un premier enroulement (41), un deuxième enroulement (42) et un troisième enroulement (43), une induction mutuelle voulue existant entre le premier enroulement et le deuxième enroulement, une induction mutuelle voulue existant entre le troisième enroulement et le deuxième enroulement, le premier enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le deuxième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, le troisième enroulement ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne du premier enroulement étant couplée à la première borne de l’accès antenne, la deuxième borne du troisième enroulement étant couplée à la deuxième borne de l’accès antenne ;
- une inductance variable (5) ayant une première borne et une deuxième borne, la première borne de l’inductance variable étant couplée à la deuxième borne du premier enroulement, la deuxième borne de l’inductance variable étant couplée à la première borne du troisième enroulement ; et
- un accès utilisateur (7) ayant une première borne (71) et une deuxième borne (72), la première borne de l’accès utilisateur étant couplée à la première borne du deuxième enroulement, la deuxième borne de l’accès utilisateur étant couplée à la deuxième borne du deuxième enroulement.
- Antenne accordable selon la revendication 6, comportant en outre un dispositif à capacité réglable, le dispositif à capacité réglable étant connecté en parallèle avec le deuxième enroulement.
- Antenne accordable selon la revendication 6, comportant en outre un dispositif à capacité réglable, le dispositif à capacité réglable étant connecté en série avec le deuxième enroulement.
- Antenne accordable selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel le premier enroulement comporte une ou plusieurs prises, et dans lequel le troisième enroulement comporte une ou plusieurs prises.
- Antenne accordable selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel le deuxième enroulement comporte une ou plusieurs prises.
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