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BREVET D'INVENTION
ITT INDUSTRIES BELGIUM
Société Anonyme Chaussée de Neerstalle 56-70 B-1190 BRUXELLES
Belgique
SYSTEME D'ANTENNES A DEPHASAGE
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L'invention se rapporte à un système d'antennes à déphasage comprenant une pluralité d'antennes reliéeschacune à une borne distincte d'un réseau de couplage déphaseur comportant au moins deux autres bornes.
De tels systèmes sont bien connus et permettent par exemple d'obtenir différents types de radiation d'un système d'antennes, par exemple des éléments verticaux disposés selon un cercle, en agissant sur la phase des signaux transmis aux différentes antennes. Suivant les besoins, on peut ainsi obtenir soit une directivité appropriée, soit une caractéristique de radiation omnidirectionnelle. Pour certaines applications, il est souhaitable de disposer d'un système d'antennes aussi universel que possible. Ce besoin existe notamment en matière de radiotéléphonie mobile où il est souhaitable que les différents émetteurs d'un système cellulaire puissent utiliser essentiellement le même système d'antennes, adapté au besoin aux conditions géographiques particulières pour certains émetteurs.
Un but général de l'invention est donc de réaliser un système de branchement pour antennes qui soit particulièrement adaptable dans un système utilisant une pluralité d'émetteurs.
Suivant une première caractéristique de l'invention, le réseau de couplage est caractérisé par des déphasages permettant différents modes d'alimentation des antennes et particulièrement, une alimentation en phase et des alimentations
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avec rotation de phase dans un sens et dans l'autre.
De cette manière, il s'est avéré possible dans un système de radiotéléphonie rurale opérant en FM dans les bandes VHF (146 à 174 MHz) et UHF (420 à 512 MHz) et suivant une structure cellulaire, d'utiliser systématiquement quatre antennes verticales simples disposées suivant un cercle ayant un diamètre de l'ordre d'une demi longueur d'onde et avec un réseau de couplage ne comprenant que quatre coupleurs hybrides directionnels et un ou deux éléments de délais. Le couplage des émetteurs vers les antennes peut être obtenu à partir de trcdsr ONes d'entrée produisant trois modes d'opération, le premier avec des phases égales aux sorties, le second avec une rotation de phase vers la gauche et le troisième avec une rotation vers la droite, les caractéristiques de radiation étant omnidirectionnelles.
Suivant une modification n'utilisant que deux entrées, les deux rotations peuvent être obtenues à l'aide d'un seul coupleur directionnel et en utilisant en outre deux diviseurs de puissance.
Un tel arrangement peut également être utilisé pour obtenir cette fois des caractéristiques de radiation directionnelles ou bidirectionnelles.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaissant dans les revendications ressortiront de la description détaillée qui mit suite de diverses réalisations préférées et devant être lue en conjonction avec les dessins accompagnant la description dans lesquels :
La Fig. 1 montre un réseau de couplge alimentant quatre antennes colinéaires disposées en anneau ; et
La Fig. 2 montre une modification du réseau de couplage de la Fig. 1.
En se référant à cette dernière, elle représenteras posi- tions de quatre antennes verticales colinéaires A, B, C etD disposées'
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suivant un cercle ayant un diamètre d. Dans le bande UHF précitée, ce diamètre peut par exemple être de 275 mm tandis que celui des antennes verticales est de 21 mm. Pour une hauteur d'antenne de 1,90 mètre, une structure mécanique adéquate peut être obtenue à l'aide d'une pièce de support ho- rizcntal en fibre de vem positionnée à une hauteur de 1, 50 mètre. Des essais ont été effectués notamment aec quatre antennes Kathrein K7516221.
Comme le montre la Fig. l, les quatres antennes sont alimentées par les sorties d'un réseau déphaseur comprenant une première paire de coupleurs hybrides H1 et H2 dont les deux entrées du côté des émetteurs constituent les entrées 1 et 2 et 3 et 4 du réseau débranchement. Pour chacun des coupleurs H- et Hiles deux sorties sont respectivement couplées à une seconde paire de coupleurs bidirectionnels H3 et H4 dont les sorties alimentent respectivement les antennes A et B et C et D. Comme indiqué à la Fig. 1, tandis que les liaisons entre Hl et H3 d'une part et H2 et H4 d'autre part sont directes,
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celles entre H, et ainsi qu'entre H2 et H3 s'effec- tuer par l'intermédiaire d'un élément déphaseur L, et/ou L2.
La valeur de ces délais peut varier d'une réalisation à l'autre, de même que la valeur des déphasages x et y des différents coupleurs H,,H,H-etH qui peuvent être des coupleurs directionnels à 90 ou à 180 , les deux autres déphasages entre la paire d'entrée et la paire de sortie pour chaque coupleur étant 0 comme indiqué à la Fig. 1.
Un tel système permet une disposition compacte standard pour les antennes et la possibilité d'obtenir une radiation omnidirectionnelle ou directionnelle, la perte de branchement et de distribution en utilisant les coupleurs directionnels étant limités. Un diagramme de radiation quasi omnidirectionnel peut être obtenu à condition que le nombre d'antennes moins deux soit au moins égal au rapport entre la circonférence sur laquelle les antennes sont disposées et la longueur d'onde.
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Avec un arrangement à quatre antennes, cette relation implique que le diamètre de l'anneau peut être inférieur à une demi longueur d'onde ou éventuellement dépasser quelque peu cette valeur. Pour une telle disposition, les calculs montrent notamment que si la circonférence de l'anneau selon lequel elles sont disposées est égal à 5/4 de longueur d'onde, on obtient une radiation en phase où le gain en décibels pour un dipole d'une demi-longeur d'onde ne
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varie que de 8, 40 à 8, 06, ces valeurs minimum- maximum étant successivement obtenues pour des rotations de 45 . Dans le cas d'une alimentation des antennes en rotation de phase, les gains correspondants à 8,40 et 8,06 deviennent respectivement 5,60 et 7,96, variation qui est toujours modérée.
D'autre part, suite à la symétrie du système, un couplage modéré entre les antennes n'affecte pratiquement pas le diagramme de radia- tion mais seulement les impédances d'alimentation et les pertes.
Afin d'obtenir une alimentation des antennes suivant les trois modes et ce à partir de trois entrées, le circuit général de la Fig. 1 peut être utilisé de la manière suivante : l'entrée 4 est directement reliée à l'entrée 1, les valeurs de x et y pour les coupleurs H, et H2 sont respectivement de 0 et de l800 pour chacun de ces coupleurs, tandis que celles pour les coupleurs H3 et H4 sont toutes deux égales à 900et dé- phaseur L-. produit 1800 tandis que L2 est remplacé par une con- nexion directe.
De cette manière, on peut vérifier que les déphasages vers les antennes A, B, C et D sont données par le tableau suivant
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<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D <SEP>
<tb> 1/4 <SEP> 450 <SEP> 450 <SEP> 450 <SEP> 450 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 1800 <SEP> 2700 <SEP> 00 <SEP> 900
<tb> 3 <SEP> 2700 <SEP> l800 <SEP> 900 <SEP> 00
<tb>
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On voit dont que suivant la première ligne définissant le mode d'alimentation en phase, il y a uniformément un déphasage de 450 tandis que l'alimentation par 2 ou 3 produit un
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pas de déphasage de 900 soit dans un sens pour la seconde ligne soit dans le sens opposé pour la troisième.
Une solution alternative utilisant également le principe de la Fig. 1 et permettant toujours, de réaliser un système avec trois câbles entre les émetteurs et les antennes consiste cette fois à utiliser uniformément des coupleurs à
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90 , c'est-à-dire que x et y sont tous, égaux à cette valeur dans les quatre coupleurs H, , Ce choix va de pair cette fois avec une liaison entre les entrées 2 et 3 tandis que les dispositifs L, et L2 produisent maintenant chacun un déphasage de 90 . Dans ces circonstances, comme l'indique le tableau qui fait suite, on obtient de nouveau les trois modes d'opération précités, les rotations s'effectuant encore avec des pas de 900 tandis que le déphasage uniforme est cette fois de 135 .
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<tb>
<tb>
A <SEP> B <SEP> C <SEP> D
<tb> 1 <SEP> 00 <SEP> 900 <SEP> 1800 <SEP> 2700
<tb> 2/3 <SEP> 1350 <SEP> 1350 <SEP> 1350 <SEP> 1350 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 2700 <SEP> 1800 <SEP> 900 <SEP> 00
<tb>
Une troisième version de l'arrangement de la Fig. 1 est également possible en utilisant, comme dans la seconde version qui vient être décrite, quatre coupleurs de 900 pour H1, h2, H3 et H4 mais sans aucun déphasage entre H, et H4 d'une part et H2 et H3 d'autre part. Suivant cette troisième version, on utilise cette fois quatre entrées, c'est-à-dire qu'il n'y a plus d'interconnexions entre 1 et 4 comme dans la première version ou entre 2 et 3 comme dans la seconde.
On peut alors vérifier que les déphasages sont donnés par le tableau suivant
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<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D
<tb> 1 <SEP> 00 <SEP> 900 <SEP> 900 <SEP> 1800
<tb> 2 <SEP> 90 <SEP> 180 <SEP> 0 <SEP> 90
<tb> 3 <SEP> 900 <SEP> 00 <SEP> 1800 <SEP> 900
<tb> 4 <SEP> 1800 <SEP> 900 <SEP> 900 <SEP> 00 <SEP>
<tb>
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qui indique que tant pour l'entrée 1 que pour l'entrée 2, on a une quasi rotation dans un premier sens tandis que tant pour l'entrée 3 que pour l'entrée 4, cette quasi rotation se produit dans le sens opposé. En effet, dans tous les cas, les pas successifs sont de 90, 0, 90 et 1800.
Pour cette troisième version, les calculs montrent qu'une valeur appropriée pour la longueur de la circonférence sur laquelle sent disposées les antennes est égale cette fois à la valeur maximale da deux ligueurs d'onde, les huits valeurs de gain successives pour des pas de 450 étant : 7, 41 ; 6 ; 4 ; 7,20 ; 4 ; 6 ; 7,41 et 4,40. La caractéristique de radiation est également quasi omnidirectionnelle.
La Fig. 2 montre un réseau de couplage n'ayant que deux entrées distinctes 1 et 2 mais permettant également deux modes de radiation avec des rotations dans les deux sens en n'uti- lisant cette fois qu'un seul coupleur hybride H5 à 900 (x = y).
Comme l'indique la figure, ses deux sorties alimentent respectivement les diviseurs de puissance S1 et S2 dont les premières sorties respectives sont reliées aux antennes A et B tandis que les secondes vont aux antennes C et D respectivement
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à travers les déphaseurs produisant chacun un déphasage de 180 . Dans ces circonstances, le tableau correspondant L3 et L4auxprécédents est cette fois
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<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D <SEP>
<tb> JL <SEP> 00 <SEP> go <SEP> 0 <SEP> 1800 <SEP> 2700 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 900 <SEP> 00 <SEP> 270 <SEP> 1800
<tb>
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L'arrangement de la Fig. 2 peut également être adapté pour fournir des caractéristiques de radiation particulières qui ne sont plus quasi omnidirectionnelles.
En premier lieu, on peut cette fois obtenir à l'aide de l'arrangement de la Fig. 2 une caractéristique bidirectionnelle. Dans ce cas, on utilise un coupleur à 1800 pour H5 et plus particulièrement x = 00 et y = 180 , tandis que le
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déphasage est supprimé pour L4 (0 ) et maintenu à 180 comme précédemment pour L3. Les deux entrées donnent alors respectivement les déphasages suivants
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<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D <SEP>
<tb> 1 <SEP> 00 <SEP> 00 <SEP> 1800 <SEP> 00
<tb> 2 <SEP> 1800 <SEP> 00 <SEP> 00 <SEP> 0
<tb>
Cet arrangement convient lorsque le diamètre de l'anneau Sar lequel sont disposées les qcetre antennes est supérieur ou inférieur à une demi-longueur d'onde.
Pour cette valeur par contre, les deux entrées peuvent cette fois alimenter directement les diviseurs de puissance S, et S2. Suite à la symétrie de cette configuration, les deux paires d'antennes A, C et B, D ont le même diagramme de radiation.
Finalement, des configurations de radiation directionnelles peuvent également être obtenues en alimentant les quatre
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antennes suivant les modes de phase définis ci-dessous
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<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D
<tb> 00 <SEP> 900 <SEP> 900 <SEP> 00
<tb> 0 <SEP> 90 <SEP> 180 <SEP> 90 <SEP>
<tb> 00 <SEP> 900 <SEP> -900 <SEP> 900 <SEP>
<tb> 00 <SEP> 00 <SEP> 900 <SEP> 00 <SEP>
<tb>
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Les déphasages peuvent être produits à partir d'une entrée à l'aide de longueurs de câble appropriés pour obtenir des déphasages égaux à 0,90 ou 1800 suivant le tableau ci-dessus à l'exception de la troisième ligne ou les longueurs de câble doivent fournir un déphasage supplémentaire de 900 correspondant à la valeur négative pour l'antenne C, c'est-à-dire 90 , 180 , 0 et 180 .
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A
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Quoique les principes de l'invention aient été décrits ci-dessus en se référant à des exemples particuliers, il est bien entendu que cette description est faite seulement à titre d'exemple et ne constitue aucunement une limitation de la portée de l'invention.
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PATENT
ITT INDUSTRIES BELGIUM
Société Anonyme Chaussée de Neerstalle 56-70 B-1190 BRUXELLES
Belgium
PHASE ANTENNA SYSTEM
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The invention relates to a phase shift antenna system comprising a plurality of antennas each connected to a separate terminal of a phase shift coupling network comprising at least two other terminals.
Such systems are well known and allow for example to obtain different types of radiation from an antenna system, for example vertical elements arranged in a circle, by acting on the phase of the signals transmitted to the different antennas. Depending on the requirements, it is thus possible to obtain either an appropriate directivity or an omnidirectional radiation characteristic. For some applications, it is desirable to have an antenna system as universal as possible. This need exists in particular with regard to mobile radiotelephony, where it is desirable that the different transmitters of a cellular system can use essentially the same antenna system, adapted as necessary to the particular geographical conditions for certain transmitters.
A general object of the invention is therefore to provide a connection system for antennas which is particularly adaptable in a system using a plurality of transmitters.
According to a first characteristic of the invention, the coupling network is characterized by phase shifts allowing different modes of powering the antennas and particularly, a phase power supply and power supplies
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with phase rotation in one direction and in the other.
In this way, it has proved possible in a rural radiotelephone system operating in FM in the VHF (146 to 174 MHz) and UHF bands (420 to 512 MHz) and according to a cellular structure, to systematically use four vertical antennas simple arranged in a circle having a diameter of the order of half a wavelength and with a coupling network comprising only four directional hybrid couplers and one or two delay elements. The coupling of the transmitters towards the antennas can be obtained from trcdsr ONes input producing three modes of operation, the first with phases equal to the outputs, the second with a phase rotation to the left and the third with a rotation to the right, the radiation characteristics being omnidirectional.
Following a modification using only two inputs, the two rotations can be obtained using a single directional coupler and also using two power dividers.
Such an arrangement can also be used to obtain this time directional or bidirectional radiation characteristics.
The invention will be better understood and other characteristics appearing in the claims will emerge from the detailed description which followed on from various preferred embodiments and which should be read in conjunction with the drawings accompanying the description in which:
Fig. 1 shows a coupling network supplying four collinear antennas arranged in a ring; and
Fig. 2 shows a modification of the coupling network of FIG. 1.
With reference to the latter, it will represent the positions of four collinear vertical antennas A, B, C and D arranged '
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following a circle with a diameter d. In the aforementioned UHF band, this diameter can for example be 275 mm while that of the vertical antennas is 21 mm. For an antenna height of 1.90 meters, an adequate mechanical structure can be obtained using a horizontal support piece of vem fiber positioned at a height of 1.50 meters. Tests were carried out in particular with four Kathrein K7516221 antennas.
As shown in Fig. l, the four antennas are supplied by the outputs of a phase shifting network comprising a first pair of hybrid couplers H1 and H2 whose two inputs on the side of the transmitters constitute the inputs 1 and 2 and 3 and 4 of the disconnection network. For each of the couplers H- and Hiles two outputs are respectively coupled to a second pair of bidirectional couplers H3 and H4, the outputs of which supply the antennas A and B and C and D. respectively. As shown in FIG. 1, while the connections between Hl and H3 on the one hand and H2 and H4 on the other hand are direct,
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those between H, and also between H2 and H3 are effected by means of a phase shifting element L, and / or L2.
The value of these delays can vary from one embodiment to another, as well as the value of the phase shifts x and y of the different couplers H ,, H, H-and H which can be directional couplers at 90 or 180, the two other phase shifts between the input pair and the output pair for each coupler being 0 as shown in FIG. 1.
Such a system allows a standard compact arrangement for the antennas and the possibility of obtaining omnidirectional or directional radiation, the loss of connection and distribution using the directional couplers being limited. A quasi-omnidirectional radiation pattern can be obtained provided that the number of antennas minus two is at least equal to the ratio between the circumference on which the antennas are arranged and the wavelength.
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With an arrangement with four antennas, this relationship implies that the diameter of the ring can be less than half a wavelength or possibly somewhat exceed this value. For such an arrangement, the calculations show in particular that if the circumference of the ring according to which they are arranged is equal to 5/4 of wavelength, one obtains a radiation in phase where the gain in decibels for a dipole of half a wavelength does
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varies only from 8, 40 to 8, 06, these minimum-maximum values being successively obtained for rotations of 45. In the case of feeding the antennas in phase rotation, the gains corresponding to 8.40 and 8.06 become 5.60 and 7.96 respectively, a variation which is always moderate.
On the other hand, following the symmetry of the system, a moderate coupling between the antennas practically does not affect the radiation diagram but only the feed impedances and the losses.
In order to obtain an antenna supply according to the three modes and this from three inputs, the general circuit of FIG. 1 can be used as follows: input 4 is directly connected to input 1, the values of x and y for the couplers H, and H2 are 0 and 1800 respectively for each of these couplers, while those for couplers H3 and H4 are both equal to 900 and L-phase phaser. produces 1800 while L2 is replaced by a direct connection.
In this way, we can check that the phase shifts towards the antennas A, B, C and D are given by the following table
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<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D <SEP>
<tb> 1/4 <SEP> 450 <SEP> 450 <SEP> 450 <SEP> 450 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 1800 <SEP> 2700 <SEP> 00 <SEP> 900
<tb> 3 <SEP> 2700 <SEP> l800 <SEP> 900 <SEP> 00
<tb>
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We can see that according to the first line defining the phase supply mode, there is uniformly a phase shift of 450 while the supply by 2 or 3 produces a
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no phase shift of 900 either in one direction for the second line or in the opposite direction for the third.
An alternative solution also using the principle of FIG. 1 and still making it possible to create a system with three cables between the transmitters and the antennas, this time consists in uniformly using couplers to
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90, that is to say that x and y are all equal to this value in the four couplers H,, This choice goes hand in hand this time with a link between inputs 2 and 3 while the devices L, and L2 now each produce a 90 phase shift. Under these circumstances, as the following table indicates, the three aforementioned operating modes are again obtained, the rotations still being performed with steps of 900 while the uniform phase shift is this time 135.
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<tb>
<tb>
A <SEP> B <SEP> C <SEP> D
<tb> 1 <SEP> 00 <SEP> 900 <SEP> 1800 <SEP> 2700
<tb> 2/3 <SEP> 1350 <SEP> 1350 <SEP> 1350 <SEP> 1350 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 2700 <SEP> 1800 <SEP> 900 <SEP> 00
<tb>
A third version of the arrangement of FIG. 1 is also possible using, as in the second version which has just been described, four couplers of 900 for H1, h2, H3 and H4 but without any phase shift between H, and H4 on the one hand and H2 and H3 on the other hand . According to this third version, this time four inputs are used, that is to say that there are no longer any interconnections between 1 and 4 as in the first version or between 2 and 3 as in the second.
We can then verify that the phase shifts are given by the following table
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<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D
<tb> 1 <SEP> 00 <SEP> 900 <SEP> 900 <SEP> 1800
<tb> 2 <SEP> 90 <SEP> 180 <SEP> 0 <SEP> 90
<tb> 3 <SEP> 900 <SEP> 00 <SEP> 1800 <SEP> 900
<tb> 4 <SEP> 1800 <SEP> 900 <SEP> 900 <SEP> 00 <SEP>
<tb>
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which indicates that both for input 1 and for input 2, there is a quasi rotation in a first direction while both for input 3 and for input 4, this quasi rotation occurs in the opposite direction. Indeed, in all cases, the successive steps are 90, 0, 90 and 1800.
For this third version, the calculations show that an appropriate value for the length of the circumference on which the antennas are placed is this time equal to the maximum value of two wave ligers, the eight successive gain values for steps of 450 being: 7, 41; 6; 4; 7.20; 4; 6; 7.41 and 4.40. The radiation characteristic is also almost omnidirectional.
Fig. 2 shows a coupling network having only two distinct inputs 1 and 2 but also allowing two modes of radiation with rotations in both directions by using this time only one hybrid coupler H5 to 900 (x = y).
As shown in the figure, its two outputs supply the power dividers S1 and S2 respectively, the first respective outputs of which are connected to the antennas A and B while the second go to the antennas C and D respectively
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through the phase shifters each producing a phase shift of 180. In these circumstances, the corresponding table L3 and L4 to the previous results is this time
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<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D <SEP>
<tb> JL <SEP> 00 <SEP> go <SEP> 0 <SEP> 1800 <SEP> 2700 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 900 <SEP> 00 <SEP> 270 <SEP> 1800
<tb>
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The arrangement of FIG. 2 can also be adapted to provide particular radiation characteristics which are no longer almost omnidirectional.
Firstly, this time it is possible to obtain using the arrangement of FIG. 2 a bidirectional characteristic. In this case, a coupler at 1800 is used for H5 and more particularly x = 00 and y = 180, while the
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phase shift is removed for L4 (0) and maintained at 180 as before for L3. The two inputs then respectively give the following phase shifts
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<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D <SEP>
<tb> 1 <SEP> 00 <SEP> 00 <SEP> 1800 <SEP> 00
<tb> 2 <SEP> 1800 <SEP> 00 <SEP> 00 <SEP> 0
<tb>
This arrangement is suitable when the diameter of the ring Sar which the qcetre antennas are arranged is greater than or less than half a wavelength.
On the other hand, for this value, the two inputs can directly supply the power dividers S, and S2. Due to the symmetry of this configuration, the two antenna pairs A, C and B, D have the same radiation pattern.
Finally, directional radiation patterns can also be obtained by feeding the four
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antennas according to the phase modes defined below
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<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D
<tb> 00 <SEP> 900 <SEP> 900 <SEP> 00
<tb> 0 <SEP> 90 <SEP> 180 <SEP> 90 <SEP>
<tb> 00 <SEP> 900 <SEP> -900 <SEP> 900 <SEP>
<tb> 00 <SEP> 00 <SEP> 900 <SEP> 00 <SEP>
<tb>
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The phase shifts can be produced from an input using appropriate cable lengths to obtain phase shifts equal to 0.90 or 1800 according to the table above with the exception of the third line or the cable lengths must provide an additional phase shift of 900 corresponding to the negative value for antenna C, i.e. 90, 180, 0 and 180.
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Although the principles of the invention have been described above with reference to particular examples, it is understood that this description is made only by way of example and does not in any way constitute a limitation of the scope of the invention.