EP1339134A1 - Antenne monopolaire ou dipolaire à large bande - Google Patents
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- EP1339134A1 EP1339134A1 EP03100406A EP03100406A EP1339134A1 EP 1339134 A1 EP1339134 A1 EP 1339134A1 EP 03100406 A EP03100406 A EP 03100406A EP 03100406 A EP03100406 A EP 03100406A EP 1339134 A1 EP1339134 A1 EP 1339134A1
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/44—Resonant antennas with a plurality of divergent straight elements, e.g. V-dipole, X-antenna; with a plurality of elements having mutually inclined substantially straight portions
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/005—Damping of vibrations; Means for reducing wind-induced forces
Definitions
- the invention relates to the field of broadband antennas (antenna with passive tuning box) of monopolar type or dipolar.
- a passive tuning box 2 allows you to refine the adaptation of the antenna over very wide frequency bands.
- the adaptation is all the easier when the angle ⁇ (angle that makes a radiating strand 1 relative to the vertical) is relatively large, generally from 10 ° to 45 °. Being able to adapt an antenna naturally without attenuator at a given TOS value (standing wave rate - VSWR in English) typically 2 to 3, is important because it allows guarantee good antenna performance by avoiding buffer values (attenuator) high.
- a high angle value for example ⁇ > 15 °, is often incompatible with mechanical and operational constraints usual, such as the wind resistance, the weight, the implementation time, etc., especially for relatively low frequencies (HF band 2-30 MHz) or the bottom of the VHF band (a few tens of MHz) where the strands radiant are usually from a few meters to more than ten meters in length.
- a solution consists in significantly strengthening the bases of the radiating strands especially for the radiating strands of the upper pole. This reinforcement comes with significant additional constraints on the cost, transport and tactical qualities of the antenna (heavier weight, increased assembly and disassembly time, number of operators required larger, heavier infrastructure to hold weight and hold upwind, etc.)
- the wire antennas according to the prior art therefore have seldom strand angles greater than 15 ° (the angle is counted relative to the vertical axis of the figure). Adaptation is then adjusted with Self-Capacities cells and using buffers or attenuators.
- the object of the present invention relates to an antenna where the ends of the radiating strands are connected for example to their base or to the base by means of a conductive wire capable of supporting the power antenna transmission.
- the radiating strands of the upper pole are connected to the base of the upper pole.
- the invention relates to a wire antenna comprising one or more several radiating strands, said strands being connected to a base, characterized in that at least one of said strands has a first end connected by means of a conducting wire to said base or connected to its second end.
- the radiating strand is, for example, part of the upper pole of the antenna and the connecting wire is a metal wire or a metal wire coated with Teflon.
- the invention relates for example to type antennas monopolar or dipolar which are used for example to the bands HF-VHF-UHF from a few MHz to a few hundred MHz.
- the antenna manufacturing technique according to the invention allows to optimize the adaptation of the antenna while guaranteeing properties of tacticity and cost comparable to that of antennas tuned with buffers (attenuators).
- Figure 3 shows schematically a first alternative embodiment of a broadband antenna according to the invention.
- This wire antenna of mono-polar or dipolar type comprises for example 4 upper radiating strands referenced 4 in connection with a tuning box 5.
- the polarization of the antenna is a vertical polarization.
- the upper strands 4 for example make an angle of inclination ⁇ of the order of 5 to 20 °, for example from 10 ° to 15 ° approximately relative to the vertical.
- the upper end 4s of a radiating strand is for example connected by means of a conducting wire, for example metallic 6, to the base 7 of the upper pole (for example at its end 4 i giving the antenna a look
- a radiating strand 4 and the connecting wire is for example ensured by using banana type plugs known to those skilled in the art and capable of withstanding the power radiated by the antenna (these sheets are not shown in the figure for the sake of clarity) Any other means, such as welding, capable of making this connection can also be used.
- the upper strands 4 are of metallic type, or composite (metal strands coated with composite).
- the connecting wire 6 used is chosen in particular according to its power handling radiated by the antenna. It can be metallic and coated teflon.
- the choice of the diameter of the connecting wire is for example a compromise between the mechanical resistance of the assembly, the resistance to power and wind resistance.
- the length of the wire connecting the strand greater than the base is in particular a function of the curvature of the upper strand due to gravity.
- such an architecture makes it possible to widen the band on the one hand, because the value of the angle ⁇ between the vertical and each metal wire is greater than the value of the angle ⁇ , on the other hand because the strands radiators thus formed appear thick and naturally offer broadband properties.
- the number of upper strands connected can be equal to the number of upper strands of the antenna.
- FIG. 4 represents an alternative embodiment where an upper strand 4 is connected by means of two connecting wires 6, 6 ′ to the base 7.
- the contact point (A, B) of the wires to the base is located by example midway between the feet of the adjacent radiating strands (4 i-1 , 4 i + 1 ) to the strand concerned.
- FIG. 5 represents a dipole type antenna where the upper wires 4 of the upper pole are connected.
- the wires 10 of the lower pole can be moved apart significantly from the vertical by serving as guying 11, the principle of connection by wires metallic is not necessarily applied at this pole lower, the angle can take a significant value without difficulty.
- the angle ⁇ 'made by a radiating strand 10 of the lower pole relative to the horizontal is approximately 45 °.
- the strands of the antenna thus modified and with a "thick strand" structure significantly reduce variations of real and imaginary parts over a wide band (the resonant structure is less selective) and allow better adaptation with conventional passive elements (transformers, inductors, capacity).
- Adjust adaptation then requires lower attenuator values than those used in the case of conventional antennas (according to the prior art) thus optimizing the antenna performance.
- antennas HF for example 2-30 MHz, high powers, for example a few hundreds of Watt to a few kW, made up of radiating strands metal coated with composite material measuring more than 10 meters. They also apply to antennas used in ranges of frequency corresponding to the F-UHF or VHF bands varying from a few MHz to a few hundred MHz.
- Figures 6 to 13 show the simulation results obtained on a dipole type antenna.
- the simulation software is marketed by Nittany Scientific under the brand NEC Winpro.
- the structure of the antenna used is given in Figure 6. It has an upper pole made up of 4 radiating strands 12, of length L equal to about 1.2 meters. The strands are arranged at 90 ° from each other others and each make an angle ⁇ of 10 ° relative to the vertical at their foot. They are connected to the base 13 by means of a wire 14.
- the lower pole is made up of 4 radiating wires 15 of 1.2 meters in length arranged at 90 ° to each other. Each radiating wire is tilted 45 °.
- the antenna phase center is located for example 2 meters above average ground 16.
- the mast 17 supporting the antenna is made of composite.
- the box agree 18 is located between the lower pole and the upper pole.
- Figures 7, 8, 9, 10 show schematically the simulated representation respectively of a conventional antenna according to the prior art, of an antenna with 1 wire connecting the upper end of a strand and the foot of the strand, antenna with 2 wires connecting the end of each upper strand the two wires being halfway between two feet, of an antenna with rigid stranded wires superior.
- FIG. 11 represents the associated TOS curves as a function of frequency.
- Curve I corresponds to the conventional antenna ( Figure 7), the curve II at the one-wire antenna ( Figure 8), curve III at the two-wire antenna ( Figure 9), the IV curve with the wires alone ( Figure 10).
- Figures 12 and 13 show the real part of the impedance input of the antenna and the imaginary part of the input impedance of the antenna respectively for a conventional antenna (curve V real part, curve VII imaginary part) and a wire antenna (curve VI real part, curve VIII imaginary part).
- This drop in dynamics of the variations in the input impedance allows an adequate transformation ratio to obtain an antenna TOS less than or equal to 3 over a very large bandwidth (varying by example of 60 to 300 MHz in this case) with one wire per radiating strand against a maximum TOS of 4 for the conventional antenna.
- the antenna structure with 2 wires per strand radiating offers a TOS less than or equal to 3.2.
- the proposed solution allows in particular to make an antenna 6-30 MHz or 60-300 MHz with a TOS less than or equal to 3 having a very good efficiency (a single transformer with a 1: 4 ratio is sufficient).
- Figures 14 and 15 show the impedance readings input of the antenna measured with the network analyzer and represented under form of TOS and Smith abacus respectively.
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Abstract
Antenne comportant un ou plusieurs brins rayonnants où au moins un brin rayonnant a ses deux extrémités reliées au moyen d'un ou de plusieurs fils conducteurs, les brins rayonnants faisant partie du pole supérieur de l'antenne. Application à des antennes de type monopolaire ou dipolaire dans des gammes de fréquence correspondant aux bandes HF, VHF ou UHV. <IMAGE>
Description
L'invention concerne le domaine des antennes large bande
(antenne avec boíte d'accord à éléments passifs) de type monopolaire ou
dipolaire.
Elle est appliquée par exemple pour des antennes filaires dans le
cadre des systèmes de télécommunications ou de brouillage.
Dans des antennes filaires de type mono polaire (figure 1) ou
dipolaire (figure 2) large bande, la technique classique la plus utilisée pour
obtenir de bonnes propriétés sur une large bande consiste à élargir les pôles
à l'aide de fils ou brins métalliques 1 pour le pôle supérieur et 3 pour le pôle
inférieur.
Une boíte d'accord passive 2 permet d'affiner l'adaptation de
l'antenne sur des bandes de fréquence très larges.
De cette façon, on obtient des antennes tactiques transportables
(montables et démontables) ayant une prise au vent réduite. Un nombre
élevé de brins garantit de bonnes propriétés d'omnidirection en azimut mais
pénalise le temps de montage et les contraintes de prise au vent.
L'adaptation est d'autant plus aisée que l'angle α (angle que
fait un brin rayonnant 1 par rapport à la verticale ) est relativement important,
de 10° à 45° généralement. Pouvoir adapter une antenne naturellement sans
atténuateur à une valeur de TOS donnée (taux d'ondes stationnaires -
VSWR en anglais) typiquement de 2 à 3, est important car cela permet de
garantir un bon rendement de l'antenne en évitant des valeurs de tampon
(atténuateur) élevées.
Cependant, une valeur d'angle élevée, par exemple α > 15°, est
souvent incompatible avec les contraintes mécaniques et opérationnelles
usuelles, telles que la tenue au vent, le poids, le temps de mise en oeuvre,
etc., notamment pour des fréquences relativement basses (bande HF 2-30
MHz) ou le bas de la bande VHF (quelques dizaines de MHz) où les brins
rayonnants ont couramment de quelques mètres à plus d'une dizaine de
mètres de longueur.
Afin de compenser ces contraintes mécaniques, une solution
consiste à renforcer de façon importante les embases des brins rayonnants
notamment pour les brins rayonnants du pôle supérieur. Ce renforcement
s'accompagne toutefois de contraintes supplémentaires importantes sur le
coût, le transport et les qualités tactiques de l'antenne (poids plus important,
temps de montage et démontage accrus, nombre d'opérateurs nécessaires
plus importants, infrastructures plus lourdes pour tenir un poids et une prise
au vent supérieurs, etc.)
Les antennes filaires selon l'art antérieur présentent donc
rarement des angles d'inclinaison des brins supérieurs à 15° (l'angle est
compté par rapport à l'axe vertical de la figure). L'adaptation est ensuite
ajustée avec des cellules Selfs-Capacités et à l'aide de tampons ou
atténuateurs.
L'objet de la présente invention concerne une antenne où les
extrémités des brins rayonnants sont reliés par exemple à leur base ou à
l'embase au moyen d'un fil conducteur capable de supporter la puissance
d'émission de l'antenne. Par exemple, les brins rayonnants du pôle supérieur
sont reliés à l'embase du pôle supérieur.
L'invention concerne une antenne filaire comportant un ou
plusieurs brins rayonnants, lesdits brins étant reliés à une embase,
caractérisé en ce que au moins un desdits brins a une première extrémité
reliée au moyen d'un fil conducteur à ladite embase ou relié à sa seconde
extrémité.
Le brin rayonnant fait partie par exemple du pôle supérieur de
l'antenne et le fil de liaison est un fil métallique ou un fil métallique enrobé de
Teflon.
L'invention concerne par exemple les antennes de type
monopolaire ou dipolaire qui sont utilisées par exemple aux bandes HF-VHF-UHF
de quelques MHz à quelques centaines de MHz.
L'antenne selon l'invention présente notamment les avantages
suivants :
D'autres caractéristiques et avantages de l'antenne selon
l'invention apparaítront mieux à la lecture de la description qui suit donnée à
titre illustratif et nullement limitatif au regard des figures annexées qui
représentent :
La technique de fabrication d'antenne selon l'invention permet
d'optimiser l'adaptation de l'antenne tout en garantissant des propriétés de
tacticité et de coût comparables à celles des antennes accordées avec des
tampons (atténuateurs).
La figure 3 schématise une première variante de réalisation d'une
antenne large bande selon l'invention.
Cette antenne filaire de type mono-polaire ou dipolaire comporte
par exemple 4 brins rayonnants supérieurs référencés 4 en liaison avec une
boíte d'accord 5. La polarisation de l'antenne est une polarisation verticale.
Les brins supérieurs 4 font par exemple un angle d'inclinaison α de l'ordre de
5 à 20°, par exemple de 10° à 15° environ par rapport à la verticale.
L'extrémité supérieure 4s d'un brin rayonnant est par exemple reliée au
moyen d'un fil conducteur par exemple métallique 6 à l'embase 7 du pôle
supérieur (par exemple au niveau de son extrémité 4i donnant à l'antenne
une allure d'un palmier. La liaison entre un brin rayonnant 4 et le fil de liaison
(fil métallique 6) est par exemple assurée en utilisant des fiches de type
banane connues de l'Homme du métier et capables de résister à la
puissance rayonnée par l'antenne (ces fiches ne sont pas représentées sur
la figure pour des soucis de clareté). Tout autre moyen, tel que la soudure,
capable de réaliser cette liaison peut aussi être utilisé.
Les brins supérieurs 4 sont de type métallique, ou composites
(brins métalliques enrobés de composite).
Le fil de liaison 6 utilisé est choisi notamment en fonction de sa
tenue en puissance rayonnée par l'antenne. Il peut être métallique et enrobé
de téflon. Le choix du diamètre du fil de liaison est par exemple un
compromis entre la résistance mécanique de l'ensemble, la tenue à la
puissance et la prise au vent. La longueur du fil reliant le brin supérieur à
l'embase est notamment fonction de la courbure du brin supérieur du fait de
la gravité.
Avantageusement, une telle architecture permet d'élargir la bande
de l'antenne d'une part, car la valeur de l'angle β entre la verticale et chaque
fil métallique est supérieure à la valeur de l'angle α, d'autre part car les brins
rayonnants ainsi formés apparaissent comme épais et offrent naturellement
des propriétés large bande.
Le nombre de brins supérieurs reliés peut être égal au nombre de
brins supérieurs de l'antenne.
La figure 4 représente une variante de réalisation où un brin
supérieur 4 est relié au moyen de deux fils de liaison 6, 6' à l'embase 7. Le
point de contact (A, B) des fils à l'embase se situe par exemple à mi-distance
des pieds des brins rayonnants adjacents (4i-1, 4i+1) au brin concerné.
Selon une autre variante de réalisation, la figure 5 représente une
antenne de type dipolaire où les fils supérieurs 4 du pôle supérieur sont
reliés. Les fils 10 du pôle inférieur peuvent être écartés de façon significative
de la verticale en servant de haubanage 11, le principe de liaison par fils
métalliques n'est pas nécessairement appliqué au niveau de ce pôle
inférieur, l'angle pouvant prendre une valeur importante sans difficulté. Sur la
figure l'angle α' que fait un brin rayonnant 10 du pôle inférieur par rapport à
l'horizontal est de 45° environ.
Dans les exemples donnés aux figures 4 et 5, les brins de
l'antenne ainsi modifiés et à structure "brins épais" réduisent sensiblement
les variations des parties réelles et imaginaires sur une large bande (la
structure résonnante est moins sélective ) et permettent une meilleure
adaptation avec des éléments passifs classiques (transformateurs, selfs,
capacités).
L'ajustement de l'adaptation se fait par des méthodes connues de
l'Homme du métier qui ne seront pas détaillées. Ajuster l'adaptation
nécessite alors des valeurs d'atténuateurs plus faibles que celles utilisées
dans le cas d'antennes classiques (selon l'art antérieur) optimisant ainsi le
rendement de l'antenne.
Les exemples donnés précédemment s'appliquent à des antennes
HF par exemple 2-30 MHz, de fortes puissances, par exemple de quelques
centaines de Watt à quelques kW, constituées de brins rayonnants
métalliques enrobés de matériau composite mesurant plus de 10 mètres. Ils
s'appliquent aussi pour des antennes utilisées dans des gammes de
fréquence correspondant aux bandes F-UHF ou VHF variant de quelques
MHz à quelques centaines de MHz.
Les figures 6 à 13 représentent les résultats de simulation obtenus
sur une antenne de type dipolaire. Le logiciel de simulation est
commercialisé par la société Nittany Scientific sous la marque NEC Winpro.
La structure de l'antenne utilisée est donnée à la figure 6. Elle
comporte un pôle supérieur constitué de 4 brins rayonnants 12, de longueur
L égale à environ 1.2 mètres. Les brins sont disposés à 90° les uns des
autres et font chacun un angle β de 10 ° par rapport à la verticale à leur pied.
Ils sont reliés à l'embase 13 au moyen d'un fil 14.
Le pôle inférieur est constitué de 4 fils rayonnants 15 de 1.2
mètres de longueur disposés à 90° les uns des autres. Chaque fil rayonnant
est incliné de 45°. Le centre de phase de l'antenne est situé par exemple à 2
mètres au-dessus d'un sol 16 de type moyen.
Le mât 17 support de l'antenne est en composite. La boíte
d'accord 18 est située entre le pôle inférieur et le pôle supérieur.
Les figures 7, 8, 9, 10 schématisent la représentation simulée
respectivement d'une antenne classique selon l'art antérieur, d'une antenne
avec 1 fil reliant l'extrémité supérieure d'un brin et le pied du brin, d'une
antenne avec 2 fils reliant l'extrémité de chaque brin supérieur les deux fils
étant à mi-chemin des deux pieds, d'une antenne avec fils rigides sans brin
supérieur.
La figure 11 représente les courbes TOS associées en fonction de
la fréquence.
La courbe I correspond à l'antenne classique (figure 7), la courbe
II à l'antenne à un fil (figure 8), la courbe III à l'antenne à deux fils (figure 9),
la courbe IV aux fils seuls (figure 10).
Les figures 12 et 13 représentent la partie réelle de l'impédance
d'entrée de l'antenne et la partie imaginaire de l'impédance d'entrée de
l'antenne respectivement pour une antenne classique (courbe V partie réelle,
courbe VII partie imaginaire) et une antenne à un fil (courbe VI partie réelle,
courbe VIII partie imaginaire).
Ces simulations mettent en évidence l'effet des fils reliés aux brins
rayonnants. Ces derniers permettent de restreindre l'amplitude des variations
des parties imaginaires et réelles de l'impédance d'entrée de l'antenne, ce
qui est l'une des propriétés des antennes à structure plus large bande.
Cette baisse de dynamique des variations de l'impédance d'entrée
permet par un rapport de transformation adéquat d'obtenir une antenne à
TOS inférieur ou égal à 3 sur une très grande largeur de bande (variant par
exemple de 60 à 300 MHz dans le cas présent) avec un fil par brin rayonnant
contre un TOS maximal de 4 pour l'antenne classique.
On peut constater que la structure d'antenne avec 2 fils par brin
rayonnant offre un TOS inférieur ou égal à 3.2.
L'influence des fils seuls est donnée à la courbe IV figure 11.
Ceux-ci permettent d'avoir un TOS inférieur ou égal à 3.5 dû à une
inclinaison plus prononcée par rapport à la verticale, mais l'effet combiné des
fils reliés aux brins rayonnants qui forment des brins épais apparaít plus
efficace.
La solution proposée permet notamment de réaliser une antenne
6-30 MHz ou 60-300 MHz avec un TOS inférieur ou égal à 3 ayant un très
bon rendement (un seul transformateur de rapport 1: 4 suffit).
Ces exemples sont donnés à titre illustratif et nullement limitatifs.
Les figures 14 et 15 représentent les relevés d'impédance
d'entrée de l'antenne mesurée à l'analyseur de réseau et représentés sous
forme respectivement de TOS et d'abaque de Smith.
L'effet de baisse du TOS sur la bande apparaít avec la
modification de l'antenne, TOS maximal de 9 pour l'antenne classique et de
6 pour l'antenne modifiée. De même, pour l'abaque de Smith, il apparaít que
les boucles de résonance sont moins prononcées avec l'antenne modifiée,
rendant ainsi l'adaptation plus aisée.
Claims (9)
- Antenne filaire monopolaire ou dipolaire à polarisation verticale comportant un ou plusieurs brins rayonnants, lesdits brins rayonnants étant reliés à une embase, caractérisé en ce que au moins un desdits brins a une première extrémité reliée au moyen d'un fil conducteur à ladite embase ou relié à sa seconde extrémité.
- Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que le ou les brins rayonnants (4) reliés sont les brins du pôle supérieur.
- Antenne selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisée en ce qu'un brin rayonnant (4) est relié au moyen de deux fils (6, 6') à mi-chemin entre le pied de chaque brin métallique.
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que le fil reliant les deux extrémités (6) est un fil métallique.
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que le fil reliant les deux extrémités est un fil métallique enrobé de Teflon.
- Antenne selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que les liaisons entre le fil conducteur (6) et un brin rayonnant (4) se font à l'aide de fiches de type banane.
- Antenne monopolaire comportant au moins une des caractéristiques de l'antenne selon les revendications 1 à 6.
- Antenne dipolaire comportant au moins une des caractéristiques de l'antenne selon les revendications 1 à 6.
- Utilisation de l'antenne selon l'une des revendications 1 à 8 dans la gamme de fréquence correspondant aux bandes F-UHF ou VHF, de quelques MHz à quelques centaines de MHz.
Applications Claiming Priority (2)
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FR0202303A FR2836601A1 (fr) | 2002-02-22 | 2002-02-22 | Antenne monopolaire ou dipolaire a large bande |
FR0202303 | 2002-02-22 |
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EP1339134A1 true EP1339134A1 (fr) | 2003-08-27 |
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Family Applications (1)
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EP03100406A Withdrawn EP1339134A1 (fr) | 2002-02-22 | 2003-02-20 | Antenne monopolaire ou dipolaire à large bande |
Country Status (3)
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FR (1) | FR2836601A1 (fr) |
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