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PERFECTIONNEMENTS AUX SYSTEMES D'ANTENNES.
La présente invention se rapporte à des perfectionne- ments aux systèmes d'antennes et, plus.particulièrement aux groupes et ensembles d'antennes destinés à la diffusion de l'énergie aux fréquences 'très 'élevées*
Dans les systèmes de radiodiffusion aux',fréquences très élevées, tels qu'utilisés pour la transmission de la télévision et de la modulation de fréquence, certains problèmes nouveaux se posent
Comme la portée d'es fréquences très ,élevées est généralement bornée à la-ligne de visibilité directe, il est à désirer que l'antenne de radiodiffusion soit montée aussi haut que possible au-dessus de la terre.
Il est également désirable que le diagramme de radiation de l'entenne soit dirigé horizontalement, pour que le niveau du . signal soit élevé en des points éloignés de l'émetteur. Pour obte- - .
-nir une telle concentration d'énergie, il'est nécessaire de prévoir ,
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un groupement d'antennes élémentaires ou d'autres moyens de concen= trer l'énergie. Comme l'antenne doit être supportée à une grande hauteur et qu'elle est constituée par un'groupement d'éléments, il est essentiel, pour des raisons pratiques, que les dits éléments soient relativement petits et qu'ils aient une caractéristique de radiation prononcée, afin qu'une bonne intensité de réception puis- se être obtenue sans ou'il soit nécessaire de déployer, à une grande hauteur au-dessus du sol, une construction importante ou un ensemble d'antennes de grandes dimensions.
De plus, l'antenne étant d'ordinaire montée .en un point relativement inaccessible, tel qu'un mêt, ou un pylône au sommet d' 'un édifice élevé, il est à désirer que les antennes élémentaires soient faites de manière à ne nécessiter qu'un minimum d'entretien.
Les stations de radiodiffusion et, en particulier, cel- les destinées à la télévision ou à la modulation,de .fréquence, sont généralement'situées dans des zones à population dense pour qu'elles atteignent le plus grand nombre possible d'auditeurs dans leur rayon d'action, 'relativement restreint. En conséquence, les élé- ments d'antennes peuvent être disposés au-dessus de la tête des passants et les risques consécutifs à l'accumulation de glace sur les dits éléments seraienttrès élevés. La glace accumulée sur eux au cours d'une chute de grésil peut tomber et causer des dommages con- sidérebles aux passants, aussi bien qu'aux objets inaimés.
De plus, de telles accumulations de glace peuvent tomber d'un élément de l'an- tenne sur un autre, en endommageant' certaines de leurs,parties, tel- -les que les isolateurs.
Un autre point digne de considération dans les antennes de radiodiffusion est le facteur d'isolement. Dans de tels systè- mes de radiodiffusion'la puissance est, d'ordinaire, élevée, et, en conséquence, tous isolateurs utilisés dans l'antenne peuvent être appelés à supporter des tensions électriques considérables.
L'invention , pour but la constitution d'un système d'an- tenne de radiodiffusion, utilisable aux très hautes fréquences, dans
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lequel les antennes.élémentaires soient de petites dimensions et , aient .un débit de puissance relativement élevée.
..L'invention a également pour but. la constitution d'an- ténnes élémentaires susceptibles d'être supportées par un mât ou
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support'métallique sans nécessite:" d'aucun isolement par rapport à. ûelui-ci.
Le système d'antennes de'radiodiffusion, objet de,llin- vèntion*,, doit pouvoir être, monté facilement en un endroit relative- ment inaccessible, être relativement petit pour une concentration donnée d'énergie^et exiger un minimum de'surveillance.
Le dit système doit encore fonctionner de manière produire des ondes à polarisation horizontale'pratiquement pure, L'invention,'avec ses buts'et,caractéristiques, sera ,mieux comprise à la lecture-de la description qui va suivre et à
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'l'examen des dessins joints, qui en représentent schématiqueinent, à . titre d'exemples non limitatifs, quelques modes de mise en oeuvre.
.La'.figure l'est relative à un groupe d'antennes conforme à l'invention.-
Les courbes-de,la figure 3'sont illustratives des ca-
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ractéristiques 'd'un ensemble d'antennes suivant l'invention.
La figure 3 représente schématiquement une tonne préfé- rée.d'antenne élémentaire également conforme à l'invention.
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Les fi;ures4, et 5 indiquent la disposition constructive d'une antenne suivant l'invention.. ' La.figure 6 est, relative â.,un, détai'-l dej3 lignes dtex- citation utilisées avec les antennes envisagées. là figure 7 représente le montage en grou.pé de plusieurs éléments d'antenne du type représenté aux figures 4 et 5,..
'La figure 8 montre un système'de chauffage susceptible d'utilisation avec-les antennes.décrites et'représentées.
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Les. figures 9 ét '10 représentent des variantes.'de con-' atruction d'antennes des. types représentés aux figures 5, 4,.et Les figures,il.et 12 s6àt:relatives à.d'autres variantes
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des antennes élémentaires.
Sur la figure 1, le nombre 10 .désigne ,un pylône ou un mât de support, sur lequel sont montées des antennes élémentaires 11, 12 et 13. Les dites antennes élémentaires sont telles que le diagramme de radiation de chaque élément consiste en une figure to- roldale dont le minimum est au centre de l'élément et que sa radia- tion dans le -plan horizontal soit pratiquement circulaire.
-Il est connu de produire une concentration horizontale de l'énergie en disposant les antennes élémentaires en groupe verti- cal. Toutefois, si l'on utilise des dipôles croisés, il est. évident qu'il y a lieu de prévoir deux antennes élémentaires en' chaque point, pour obtenir une portée pratiquement uniforme de la radiation. Ain- si, si l'on considère, par exemple,. deux éléments radiateurs unifor- rues espacés à une distance s, telles que 11 et 12 à la figure 1, et qu'on utilise pour chaque élément une paire de dipôles liorizontaux croisés , la moitié seulement de l'énergie fournie aux deux éléments est appliquée dans le plan de la figure, les deux autres dipôles, perpendiculaires à ceux qui sont dans le plan de la figure, rece- vant l'autre moitié de l'énergie.
D'autre'part, avec des éléments d'antenne à distribution toroldale de l'énergie et à diagramme de distribution uniforme dans le plan horizontal , il est évident que, lorsqu''on excitera l'élément, l'énergie sera rayonnée de façon égale dans toutes les directions. En conséquence, deux de ces éléments,, auxquels est appliquée une puissance donnée, produiront pratiquement la même radiation dans un champ horizontal, que quatre dipôles dis- posés comme décrit ci-dessus et alimentés au moyen d'une puissance presque double. -
Avec un certain nombre d'éléments d'antenne tels que 11, 12 et 13. figure 1, disposés en système vertical à des intervalles s. comme indiqué, il, est évident qu'on peut obtenir un certain degré de concentration de l'énergie dans'le plan horizontal.
Quand de tels 'éléments sont disposés en groupe, la concentration optimum peut être obtenue par un espacement convenable des dits éléments.
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Avec une antenne produisant le diagramme de radiation pratiquement toroidla ci-dessus mentionné, le gain de puissance en direction ho- rizontale pour un nombre quelconque d'éléments peut être exprimé par l'équation suivante
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" j i 'f ' .3 t 2 (n-Ù ) µ (s) + 2 (n-2) 9>,(28) + ... 3' / 1 ((n-%s ) où : . c os s sin s oS 2 \ + s 3 cos 28 sin'8s 9> (2S) :::i - (2s .' ).2. , . + (2s):3 , (2s - (3s)S oos (n-1) sin.(n-1) (n-1). s' = - , 2:' :3 (n-1) , (n-1)" n = nombre ,d'antennes élémentaires dans le groupe - s = espacement exprimé en radians (2#/#)(espacement en mètres) #- longueur d'onde en mètres.
Des courbes satis'faisant à l'équation donnée plus haut ont été tracées pour'n -2 et n - 4 à la figure 2. D'après ces courbes,- on peut facilement obtenir l'espacement nécessaire entre les éléments adjacents, pour tout gain de puissance désiré. Il est ' préférable, en tous cas, quand on a é prévoir un gain désiré, d'u- , tiliser les portions ascendantes des courbes, pratiquement jusqu' au maximum.
Ainsi, sur la.'courbe 1, on voit que le maximum se pro- duit entre 320,et 340 degrés. -En conséquence,'si le gain de puis- sance désiré est de 2, on peut utiliser deux éléments étales dits éléments peuvent être espacés de 360 à 340 degrés 1'-un de l'autre.
Dans le cas de ce montage particulier,' il est clair que le gain de puissance diminue très.lentement pour.des espacements supérieurs à 320 degrés et des espacements atteignant 400 degrés sont absolument réalisables.
Toutefois, à cause des limitations d'encombrement, l'es- pacement le plus restreint est d'ordinaire désirable 'et, pour cet - te raison, on n'a pas besoin d'utiliser la courbe au delà de son maximum.
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si, d'autre part, on désire un gain de puissance plus important, on peut utiliser un groupe de quatre éléments ayant les caractéristiques représentées par la courbe 2 de la figure 2. on voit qu'une telle disposition fournit pratiquement un gain de puis- sance de 4,6 au maximum.
Pour tout autre nombre désiré d'éléments, on peut tracer'des courbes d'espacement, telles que représentées à la figure 2, pour l'équation et choisir l'espacement convenable pour l'obtention du gain de puissance désiré.
Les courbes 1 et ,2 de la figure S sont tracées pour une disposition suivant laquelle une puissance égale est appliquée aux diverses antennes. Une telle disposition produira un gain maximum dans la direction horizontale pour' le nombre désiré d'éléments. Mais il est connu qu'avec une telle disposition, suivant laquelle une .puissance égale est fournie à chacun des éléments, il y a production d'un certain nombre de lobes mineurs. En général, ces lobes mineurs ne sont pas gênants, car l'angle de zéro entre le premier lobe mi- neur et la terre est d'ordinaire tel que le point de zéro à la sur- face de la terre est très voisin de l'antenne émettrice.
De plus, dans les zones bâties, il se produit d'ordinaire une réflexion suf- fisante sur les édifices voisins pour qu'aucun zéro ne soit observé.
Néanmoins, si le point de zéro et les lobes mineurs sont trouvés gâ- nants, on peut y remédier par une division convenable de la puissan- ce dans l'élément d'antenne. Ceci entraine l'excitation de l'élé- ment central à un degré plus élevé que les éléments extérieurs, à le manière bien connue, dans la''technique. S'il n'est pas à désirer d'éliminer complètement les lobes mineurs, mais seulement d'éviter'le zéro, de façon telle qu'il y ait quelque peu de radiation dans la direction du minimum entre lobes, on peut utiliser un faible degré d'inégalité d'excitation entre les éléments.
On a représenté à la figure 3 un nouveau type d'élément d'antenne conforme à l'invention et particulièrement applicable aux groupements verticaux d'antennes de radiodiffusion du type représen- té à la figure 1. La dite antenne comporte quatre organes radiateurs
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30, 31, 32, 33, disposés suivant la forme d'un carré,ou de toute autre figure fermée.' L'énergie de la source à haute fréquence 34 est appliquée à travers une ligne 35 et des conducteurs dérivés 36, 37, aux organes radiateurs 30,31. Les conducteurs 36,37, sont dis- posés de manière à exciter les organes 30,31, au voisinage de leurs points-milieu, en opposition de phase. En conséquence, les organes.
30 et 31, agiront pour induire'dans les bras 32, 33, une énergie'telle, que ces organes soient 'de polarités opposées à leurs extrémités. Les organes 32, 'et, 33 sont, de préférence, tournée ' vers 1''intérieur à leurs extrémités pour augmenter le couplage ca- pacitaire du système.. Il apparaît, de la description ci-dessus que chacun des bras 30,31, 32 et 33, présentera pratiquement un noeud de potentiel en son point-mileu. En conséquence, ces organes peu- , vent être supportés directement en leur centre et n'ont pas besoin d'être isolés en ces' points les uns par rapport aux,autres, ou par rapport à la terre.
Cet élément d'antenne produira de l'euer gie à polarisation pratiquement horizontale, ce qui'évite la radiation 'en retour, ou l'absorption de l'énergie par les objets verticaux situés dans.le champ. En conséquence, 'les haubans servant au sup- port ne gêneront en aucune façon la diffusion. De plus, les dits .éléments étant de faibles dimensions et-de poids léger,- ils peuvent être montés sur un mât, ou-autre support, au-dessus des haubans qui soutiennent ,un pylône ou organe analogue..
Un mode de construction pratique d'une antenne analogue à celle de la figure 3 est représenté aux figures 4, 5 et 6. a la figure 4,' les éléments d'antenne 30, 31, 32, 33 sont représentée comme formés de tubes. Au milieu de chacun des dits éléments sont prévus d'autres tubes 40, 41, 42, 43-servant au support, qui peu- vent être en métal et peuvent être fixés à l'une de leurs extrémi- tés,' par brasure ou soudure sur l'élément,d'antenne et, à,l'autre extrémité, fixés mécaniquement sur un mât ou poteau métallique de. support 44.
Comme les éléments d'antenne 30 à 33 compris, sont sup- portés chacun en un noeud de potentiel, il est inutile de prévoir
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aucun isolement pour les éléments radiateurs. Les organes 30, 31 peuvent être excités par des conducteurs sous écran contenus à l'in- térieur du mât 44 et des traverses tubulaires 40, 41 comme indiqué en 50, 51, è, la figure 5, Les extréiaités des..conducteurs à l'inté- rieur des lignes sous écran peuvent être écartées l'une de l'autre,
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CO'úID18 indiqué en 51, 52, de manière à assurer l'udoptution"Q' impé- àance désirée.
On comprendra mieux le détail d'un câble susceptible d'utilisation en se reportant à la figure 6. Selon cette disposi- tion, les conducteurs 51 sont représentés à l'intérieur d'une enve-
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loppe métallique 60. Les conducteurs 51 peuvent sortir o.e cette enveloppe à travers un isolateur 61,. Leurs extrémités 52 peuvent alors s'écarter avant la connexion au barreau formant conducteur d'antenne 31. On voit qu'avec une telle disposition, tout le sys-
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thème de câblage d' Elim.8nt,s.tion et tous ses isolateurs sont logés à l'intérieur des parties tubulaires métalliques de :Ltzten.ize E, t, de. la sorte, sont protégés dGS intempéries et de-tous efforts mécru- niques.
Les éléments d'antenne représentés aux figures * et peuvent être facilement groupés de la manière représentée à la f'i-
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gure "i, Lïulivant 'cette disposition,' o.uatre é:ï.é,"eúts r8diateurs 70,
71, 72, 73, sont montés sur un met d'émetteur commun 74. Un feeder à conducteurs ous écrrzn 75 est relié à une ligne de transmission - dérivée 76, 77 dont les extrémités sont connectées à d'autres lignes dérivées 78, 79 servant à fournir l'énergie aux éléments d'antenne
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72, 2;7C, 71, respectivement. Four adapter l'impédance de 1 li- gne de transmission aux divers points de jonction, des éléments di-
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riges,vers l'extérieur peuvent être dérivés comme indiqué en 0.
Il est clair que le systéme d'antennes représenté à la figure 7 est'
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de nature telle que les éléments d'antenne peuvent êiie ist5l1és rapidement sur tout pylône désiré, puisqu'on ruz: pas à pr6vor. d'i- soleiéen1i entre les divers éléments et le .:ât, rü de l'un à l'autre des dits éléments. De plus, ,toutl'isole!,lent et le ciblage des élé-
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ments peuvent être'entièrement contenus à l'intérieur de la construc- tion même de l'antenne, comme.représenté à la figure 5 et, par sui- te, le système n'est exposé à aucun dommage mécanique/par exemple, par la chute d'objet sur l'élément.
La dimension du cadre utilisé dans le système conforme à l'invention est relativement faible. Par exemple,, si l'on désire faire fonctionner le système à 43 mégacycles, l'élément d'antenne peut avoir une 'dimension extérieure de, pratiquement, un. mètre.- Les antennes,elles-mêmes peuvent être'en matière relativement rigide, telle que du tube d'aluminium de 6 à 10 cm de diamètre, ou de côté.
Il est donc évident que l'éLément peut être fixé rigidement sur un mât par;ses propres moyens, sans'danger que le vent puisse causer de variation appréciable de la position relative des diverses par- ties de l'antenne.
'Un autre avantage des .éléments d'antenne construits de la manière représentée aux-.figures 4 à 7 réside en ce 'que des organes de chauffage destinés à empêcher la formation' de givre sur l'anten- ne peuvent être appliqués, sans affecter en aucune façon le fonction- nement à haute fréquence. Ceci peut se faire aisément de la maniè- re représentée à la figure 8, qui représente, en coupe-partielle, deux éléments' d'antenne 30, 33.
Dans chacun, de ces éléments, il est prévu des organes résistants 81, 82, qui peuvent être connectés di- rectement, à leurs extrémités opposées, sur les éléments d'antenne mis à la terre et, en leurs milieux, par des conducteurs 83, 84, à , une source de courant de chauffage, par l'intermédiaire d'un inter- rupteur tel que 85, si on le désire.
Les antennes du type représenté aux figures 3 à 8 peu- vent, si on le désire, revêtir d'autres formes. Par exemple, à la figure 9, on a adapté la forme- circulaire, avec quatre éléments d'antenne 90, 91, 92, 93, pourvus d'organes de support 94, 95, 96, 97, de manière à ce qu'ils puissent être supportés à partir d'un po- teau ou mât creux 96. -Les extrémités des éléments radiateurs ont été représentées tournées vers l'extérieur, de manière à ménager
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entre-elles le couplage capacitaire désiré.
La figure 10 représente encore -une autre forme suscep- tibled'être adoptée pour l'antenne objet de l'invention. 'selon cette disposition, chacun des bras 30, 31,32, 33, est représenté coudé à angle droit en son milieu, les bras 32 et 35 étant munis de parties de recouvrement 36 pour la poduction du couplage capaci- taire désiré. Les traverses de support 40,41, 42, 43, sont repré- sentées reliées à un mat 4. Il est clair, à ce sujet, que les conducteurs d'excitation s'étendant des traverses 40 et 41, aux éléments 50, 31 peuvent sortir des dites traverses de manière à en- trer en contact avec le radiateur pratiquement à 90 ,
En conséquence, le réglage de l'espacement du conduc- teur 51, ou du conducteur 5,2 peut se faire pratiquement sans change- ment de la longueur des dits conducteurs.
Cette disposition est plus avantageuse que celle des figures 4 et 5 en -ce que ce 'réglage 'peut s'effectuer sans qu'on ait à couper le conducteur à la. lon- gueur désirée.
Les exemples jusqu'à présent examinés se rapportaient à des, systèmes d'antennes composés de quatre éléments. Lais le mode de construction conforme à l'invention n'est pas limité à un tel nombre d'éléments et, en fait, un nombre différent d'éléments peut être employé dans le but d'obtenir des résultats utiles, tant que les dits 'éléments sont maintenus à une longueur inférieureau quart de lon- gueur d'onde et que leurs extrémités adjacentes sont interconnectées par une réactance relativement considérable. Il est évident, toute- fois, que lorsqu'on utilise unnombre impair d'éléments, les compo- santes à polarisation verticale de l'onde ne seront pas éliminées dans toutes les directions, autour.de l'antenne.
On représenté, à 'La figure 11 une forme de réalisation d'antenne comportant six éléments 111 à 1116 compris..L'énergie est appliquée à partir d'une source 117 à chacun des éléments 111, 113, 115, avec une relation de phase telle que les extrémités adjacentes des éléments alimentés soient à des potentiels instantanés opposés,
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Les éléments 112, 114 et 116 sont donc excités par,influence, de manière à ce que des noeuds de potentiel se produisent en leurs points milieux.
La réactance capacitaire'nécessaire entre éléments adjacents peut être obtenue, comme représenté, en dirigeant vers l'intérieur les extrémités des éléments 112, 114 et 116. Il est évident que, puisque 'les éléments de la figure 11 ont des noeuds de potentiel en leurs'points milieux, ces éléments peuvent être supportés directement sur un mât ou'poteau métallique, comme le système selon les figures 3 à 8,
A al figure 12 est représentée une antenne formée de trois éléments 121, 122, 123, Les éléments 121 et 122 'sont alimen= tés directement par la source d'énergie 124. de telle sorte que leurs extrémités adjacentes soient' à des polarités instantanées op- posées et l'élément 123 est excité par.
influence, à partir de ceux- ci, de manière à présenter' un noeud de potentiel en son milieu..,
Les élément's sont construits courts par rapport à la demi-lonur d'onde, comme dans les autres exemples, et ils peuvent été suppor- tés en leurs points milieux, sans isolement supplémentaire. Tou- tefois, ces éléments n'ont pas la même symét'rie que dans 'les systè- mes comprenant un nombre pair d'éléments'et, en conséquence, ne pro- duisent pas une radiation uniforme dans toutes les directions. hais, cette inégalité peut être relativement faible et,, dans certains cas, à désirer.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec .les dessins joints, il doit être bien entendu' que les modes de réalisation particuliers représentés ne l'ont été qu'à titre d'exem- ple, pour faciliter la compréhension, etne doivent pas être consi- dérés somme des limitations à la ,portée de la dite invention.