FR2591039A1

FR2591039A1 - WIDE BANDWIDTH DISCONE ANTENNA

Info

Publication number: FR2591039A1
Application number: FR8517945A
Authority: FR
Inventors: Joel Jeannolle
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1985-12-04
Filing date: 1985-12-04
Publication date: 1987-06-05
Also published as: EP0229552A1; FR2591039B1

Abstract

Antenne discône présentant un faible rapport d'onde stationnaire. Dans l'antenne est incorporée une inductance 7 disposée en série entre le point chaud H : 8, 9 et la borne intérieur B1 de la prise coaxiale B d'excitation de l'antenne. Ceci permet de mieux centrer le diagramme de l'antenne sur l'abaque de Smith afin d'améliorer le rapport d'onde stationnaire ou ROS. Un condensateur C, dont une partie de la capacité est la capacité parasite d'un éclateur 4 logé dans la zone d'excitation de l'antenne, améliore encore le ROS. Il est à noter que l'éclateur, vu sa place, déclenche dès l'apparition des perturbations. Application, en particulier, dans les fréquences inférieures à 100 MHz. (CF DESSIN DANS BOPI)Discone antenna with a low standing wave ratio. In the antenna is incorporated an inductor 7 arranged in series between the hot point H: 8, 9 and the internal terminal B1 of the coaxial socket B for excitation of the antenna. This makes it possible to better center the antenna diagram on the Smith chart in order to improve the standing wave ratio or SWR. A capacitor C, part of the capacitance of which is the parasitic capacitance of a spark gap 4 housed in the excitation zone of the antenna, further improves the SWR. It should be noted that the spark gap, given its place, triggers as soon as disturbances appear. Application, in particular, in frequencies below 100 MHz. (CF DRAWING IN BOPI)

Description

Antenne discône à large bande passante.Broadband discone antenna.

La présente invention concerne les antennes discône c'est-à-dire, The present invention relates to disc antennas, that is to say,

selon la définition qu'en donne le "vocabulaire électrotechnique interna- as defined by the "international electrotechnical vocabulary"

tional", une antenne constituée par un disque et un cône de révolution de même axe, le sommet du cône étant voisin du disque, l'alimentation se faisant entre le disque et le sommet du cône. tional ", an antenna constituted by a disk and a cone of revolution of the same axis, the apex of the cone being close to the disk, the power being between the disk and the top of the cone.

De telles antennes sont utilisées, en particulier, en ondes métri- Such antennas are used, in particular, in meteorological waves.

ques et décimétrique. Pour des raisons de prise au vent le disque et le cône ne sont généralement pas formés par une plaque mais par des brins issus de la zone d'excitation et régulièrement répartis les uns dans une and decimetric. For reasons of wind resistance the disk and the cone are generally not formed by a plate but by strands from the excitation zone and regularly distributed in one

surface en forme de disque, les autres dans une surface en forme de cône. disc-shaped surface, the others in a cone-shaped surface.

Dans la bande 100-1000 MHz il est connu de réaliser des antennes discône présentant un rapport de fréquences extrêmes d'utilisation de deux octaves pour un rapport d'onde stationnaire, ou ROS, dune valeur In the band 100-1000 MHz it is known to make discone antennas having a ratio of extreme frequencies of use of two octaves for a standing wave ratio, or ROS, of a value

maximale de l'ordre de 2.maximum of about 2.

La présente invention a pour but d'améliorer les performances des antennes discône, en particulier dans les fréquences inférieures à une The present invention aims to improve the performance of the disc antennas, particularly in the frequencies below one

centaine de mégahertz.hundred megahertz.

Ceci est obtenu en insérant une réactance de correction à l'intérieur du circuit électrique que constitue l'antenne. Et, comme il sera vu, cette correction pourra être combinée à une protection par éclateur This is achieved by inserting a correction reactance inside the electrical circuit constituted by the antenna. And, as it will be seen, this correction can be combined with a protection by spark gap

au sein même de l'antenne.within the antenna itself.

Selon l'invention une antenne discône est caractérisée en ce que, dans le but de présenter un faible rapport d'onde stationnaire et de recentrer pour cela son diagramme dans l'abaque de Smith, elle comporte, dans sa zone d'excitation, une inductance disposée en série entre le point chaud de l'antenne et la borne intérieure de la prise coaxiale d'excitation According to the invention a disc antenna is characterized in that, in order to present a low standing wave ratio and to refocus its diagram in the Smith chart, it comprises, in its excitation zone, a inductor arranged in series between the hot spot of the antenna and the inner terminal of the coaxial excitation socket

de l'antenne.of the antenna.

La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéris- The present invention will be better understood and other characteristics

tiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y ticks will appear using the following description and figures

rapportant qui représentent:which represent:

2 2 5910392 2 591039

- la figure 1, un schéma d'une antenne discâne selon l'art connu, - la figure 2, un diagramme de Smith d'une antenne discône selon l'art connu, FIG. 1, a diagram of a disconnecting antenna according to the known art, FIG. 2, a Smith diagram of a disconnected antenna according to the known art,

- la figure 3, le diagramme de Smith d'une antenne selon l'inven- FIG. 3, the Smith diagram of an antenna according to the invention.

tion, - la figure 4, une vue de l'antenne discône dont le diagramme est FIG. 4 is a view of the disc antenna whose diagram is

représenté sur la figure 3.shown in Figure 3.

Sur les figures les éléments correspondants sont désignés par les In the figures, the corresponding elements are designated by the

mêmes repères.same landmarks.

La figure 1 est un schéma représentatif d'une antenne discfne selon l'art connu. Cette antenne est alimentée par un câble coaxial 1 qui, à une de ses extrémités, est relié par son conducteur interne au point chaud, H, de l'antenne et par son conducteur externe au point froid, F, de l'antenne. Le point chaud, H, se trouve au point de rencontre de six brins métalliques, 2a à 2f, identiques, disposés en étoile dans un plan horizontal à 60 les uns des autres; les six brins sont assimilables, sur le plan du rayonnement, à un disque métallique, 2, dont le bord est dessiné en traits interrompus sur la figure I. Le point froid, F, se trouve au point de rencontre de douze brins métalliques, 3a à 31, identiques, formant un angle 30 avec le câble coaxial 1 qui est vertical, et régulièrement espacés tout autour de ce câble; les douze brins 3a à 31 sont assimilables, sur le plan du rayonnement, à un cône métallique, 3, dont la base est Figure 1 is a representative diagram of a discfne antenna according to the prior art. This antenna is fed by a coaxial cable 1 which, at one of its ends, is connected by its inner conductor to the hot spot, H, of the antenna and its external conductor to the cold point, F, of the antenna. The hot spot, H, is at the meeting point of six identical metal strands, 2a to 2f, arranged in a star in a horizontal plane at 60 from each other; the six strands are comparable, in terms of radiation, to a metallic disc, 2, whose edge is drawn in broken lines in Figure I. The cold point, F, is at the meeting point of twelve metal strands, 3a at 31, identical, forming an angle 30 with the coaxial cable 1 which is vertical, and evenly spaced all around this cable; the twelve strands 3a to 31 are comparable, in terms of radiation, to a metal cone, 3, whose base is

dessinée en traits interrompus sur la figure 1. drawn in broken lines in Figure 1.

La figure 2 représente le diagramme, dans rabaque de Smith, d'une antenne selon la figure 1 dont les brins horizontaux 2a à 2f, montés autour d'une tête, en forme de pastille de 10 cm de diamètre, avaient une longueur de 1,4 m; les bras obliques 3a à 31, montés autour d'un corps de FIG. 2 represents the diagram, in Smith's flank, of an antenna according to FIG. 1, whose horizontal strands 2a to 2f, mounted around a head, in the form of a pellet of 10 cm in diameter, had a length of 1 , 4 m; the oblique arms 3a to 31, mounted around a body of

sensiblement même diamètre que la tête, avaient une longueur 2,9m. substantially same diameter as the head, had a length of 2.9m.

Cette antenne, résultat d'une étude pour un fonctionnement dans la bande 30-88 MHz, montrait qu'il était très difficile de maintenir dans cette bande de fréquences un ROS inférieur à 3; dans le cas considéré un ROS de 2,9 (cercle de centre I + j0 dont la circonférence est indiquée en traits interrompus) avait pu être obtenu avec beaucoup de difficultés en réglant This antenna, the result of a study for operation in the band 30-88 MHz, showed that it was very difficult to maintain in this frequency band a ROS of less than 3; in the case considered, a ROS of 2.9 (circle of center I + j0 whose circumference is indicated in broken lines) could have been obtained with great difficulty in regulating

au mieux les paramètres de rl'antenne. at best the antenna parameters.

2 5910392 591039

L'idée a alors été d'essayer de recentrer la partie 30-88 MHz de ce diagramme par rapport au point l+jO en insérant, entre la prise de raccordement, le point chaud et le point froid, une impédance capable de déplacer convenablement le diagramme de l'antenne dans l'abaque de Smith. L'idée première a été d'adjoindre une réactance inductive, au niveau du connecteur d'antenne, afin de contrebalancer le comportement essentiellement capacitif en haut de gamme. Des mesures ont alors été effectuées qui ont montré le bien-fondé de cette façon de procéder: avec une réactance inductive provenant de l'insertion dune inductance de nH, il a été possible de réduire le ROS à une valeur maximale de 2,5 dans la gamme 30-88 MHz. En même temps que l'antenne était modifiée pour y incorporer l'inductance, elle était également modifiée pour y incorporer un éclateur contre la foudre, directement entre son point chaud et son point froid. En plus des résultats attendus et dont il sera question plus loin, il s'est avéré que le ROS était meilleur lorsque l'éclateur était branché qu'en l'absence d'éclateur; ce phénomène était dû à la capacité parasite de l'éclateur, si bien qu'il a été possible d'optimiser la correction en ajoutant en parallèle sur la capacité parasite d'environ 5pF de l'éclateur, un condensateur de 6pF. Le ROS a pu ainsi être réduit à une valeur maximale de 2,3 dans la bande 30-88 MHz. Le diagramme, dans l'abaque de Smith, de l'antenne ainsi corrigée a été représenté sur la figure 3; sur la figure 3 un cercle en traits interrompus, de centre I + jo, The idea was then to try to refocus the 30-88 MHz part of this diagram with respect to the point l + jO by inserting, between the connection point, the hot point and the cold point, an impedance able to move properly. the antenna pattern in Smith's chart. The first idea was to add an inductive reactance, at the antenna connector, in order to counterbalance the essentially capacitive behavior at the high end. Measurements were then made which showed the correctness of this procedure: with an inductive reactance resulting from the insertion of an inductance of nH, it was possible to reduce the ROS to a maximum value of 2.5 in the range 30-88 MHz. At the same time that the antenna was modified to incorporate the inductor, it was also modified to incorporate a lightning spark, directly between its hot spot and its cold spot. In addition to the expected results, which will be discussed later, it turned out that the ROS was better when the spark gap was connected than in the absence of a spark gap; this phenomenon was due to the parasitic capacitance of the spark gap, so that it was possible to optimize the correction by adding in parallel to the parasitic capacitance of about 5pF of the spark gap, a capacitor of 6pF. The ROS could thus be reduced to a maximum value of 2.3 in the band 30-88 MHz. The diagram, in the Smith chart, of the antenna thus corrected has been represented in FIG. 3; in FIG. 3 a circle in broken lines, of center I + jo,

limite la zone des points de ROS égal ou inférieur à 2,3. limits the area of ROS points equal to or less than 2.3.

La figure 4 est une vue partielle, en partie en écorché, de l'antenne selon l'invention qui a permis d'obtenir le diagramme selon la FIG. 4 is a partial view, partially broken away, of the antenna according to the invention which made it possible to obtain the diagram according to FIG.

figure 3.figure 3.

L'antenne selon la figure 4 est une antenne discône dont le disque est réalisé à l'aide d'une tête cylindrique plate 9, tout autour de laquelle sont fixés horizontalement six brins de 1,4 m chacun, dont.deux, 2a, 2d, apparaissent sur la figure; le cône de l'antenne est réalisé à l'aide d'un corps creux, 12, sensiblement cylindrique, tout autour duquel sont fixés, à de la verticale, douze brins de 2,9 m chacun, dont deux, 3a, 3g, The antenna according to FIG. 4 is a disc antenna whose disk is made using a flat cylindrical head 9, around which are fixed horizontally six strands of 1.4 m each, two of which, 2d, appear in the figure; the cone of the antenna is made using a hollow body 12, substantially cylindrical, around which are fixed, vertically, twelve strands of 2.9 m each, two, 3a, 3g,

apparaissent sur la figure 4.appear in Figure 4.

Sous le corps creux, 12, est fixée une embase creuse, 6, munie d'une barre de fixation pour permettre la fixation de l'antenne. Sur la partie inférieure de l'embase 6 est fixée une prise coaxiale, B, qui constitue l'accès d'excitation de l'antenne; la borne intérieure, BI de cette prise est réunie électriquement aux premières extrémités crd'une inductance 7 et d'une résistance R tandis que la borne extérieure B2 de la prise B est en contact électrique avec l'embase 6. La résistance R, d'une valeur de 10k.ohms, est reliée, par sa seconde extrémité, à l'embase 6; cette résistance sert à écouler vers la masse, à travers l'embase 6, les charges statiques pouvant se former sur l'antenne. L'inductance 7 est l'inductance de 100 nH dont il a été question plus avant, elle est réunie par sa seconde extrémité à l'extrémité inférieure d'une tige conductrice, verticale, 8, dont l'extrémité supérieure est en contact avec la tête 9; cette tige est maintenue, à l'intérieur du corps creux 12, par une pièce isolante 10 suivie d'une autre pièce isolante 11 qui vient en contact sous la Under the hollow body, 12, is fixed a hollow base, 6, provided with a fixing bar to allow the attachment of the antenna. On the lower part of the base 6 is fixed a coaxial socket, B, which constitutes the excitation access of the antenna; the inner terminal BI of this socket is electrically connected to the first ends crdinduct inductance 7 and a resistor R while the outer terminal B2 of the socket B is in electrical contact with the base 6. The resistor R, d a value of 10 kohms is connected at its second end to the base 6; this resistor serves to flow to ground, through the base 6, the static charges that can form on the antenna. Inductance 7 is the inductance of 100 nH which has been discussed further, it is joined by its second end to the lower end of a vertical conducting rod 8 whose upper end is in contact with the head 9; this rod is maintained, inside the hollow body 12, by an insulating part 10 followed by another insulating part 11 which comes into contact under the

tête 9.head 9.

La pièce isolante 11 et la tête 9 sont percées d'un trou cylindrique formant un logement dans lequel sont disposés l'un au-dessus de l'autre: une rondelle métallique 41 qui vient en contact avec le haut du corps creux 12, un éclateur de type foudre, fabriqué par la société GEC sous la référence GXH5, et un ressort de compression 42. Un bouchon métallique , qui se visse dans la tête 9, permet de fermer le logement; ce montage facilite l'accès à l'éclateur et ce dernier peut ainsi être changé comme un fusible. Autour de la pièce isolante 11, dans la partie de l'antenne située entre le disque et le cône, deux bagues conductrices 51, 52 solidaires respectivement de la tête 9 et du corps creux 12, présentent des surfaces en regard, constituant ainsi un condensateur 5. Ce condensateur est monté entre le point chaud, H, de l'antenne, constitué par la tête 9 et la tige 8 et le point froid, F, de l'antenne, constitué par les pièces 6, 12 et 41. Le condensateur 5 est le condensateur de 6pF dont il a été question plus avant et qui, avec la capacité parasite interélectrodes de 2pF de The insulating part 11 and the head 9 are pierced with a cylindrical hole forming a housing in which are arranged one above the other: a metal washer 41 which comes into contact with the top of the hollow body 12, a lightning type spark gap, manufactured by the GEC company under the reference GXH5, and a compression spring 42. A metal plug, which is screwed into the head 9, closes the housing; this assembly facilitates access to the spark gap and the latter can thus be changed as a fuse. Around the insulating part 11, in the part of the antenna located between the disk and the cone, two conductive rings 51, 52 integral respectively with the head 9 and the hollow body 12, have facing surfaces, thus constituting a capacitor 5. This capacitor is mounted between the hot point, H, of the antenna constituted by the head 9 and the rod 8 and the cold point, F, of the antenna, constituted by the parts 6, 12 and 41. The capacitor 5 is the 6pF capacitor which has been discussed further and which with the parasitic interelectrode capacitance of 2pF of

l'éclateur 4, sur laquelle il est monté en parallèle, constitue un condensa- the spark gap 4, on which it is mounted in parallel, constitutes a condensation

teur, C, qui permet, avec l'inductance 7, d'optimiser le diagramme de which allows, with inductance 7, to optimize the

fonctionnement de Pantenne (figure 3). Pantenne (Figure 3).

2 5 9 1 0 3 92 5 9 1 0 3 9

Au sujet de l'éclateur il est à noter que, du fait qu'il est placé dans la zone d'excitation de l'antenne et non pas, comme c'est le cas avec les antennes discône connues, dans une boîte de protection d'antenne séparée de l'antenne par un tronçon de câble coaxial de quelques mètres, il amorce dès que la foudre frappe, c'est-à-dire au moment o la tension qui en résulte est encore faible; dans le cas o l'éclateur est séparé du sommet de l'antenne par un tronçon de câble coaxial, ce tronçon introduit un temps de retard pour l'amorçage de l'éclateur, si bien qu'alors la tension développée par la foudre a eu le temps de croître avant cd'atteindre Regarding the spark gap it should be noted that, because it is placed in the excitation zone of the antenna and not, as is the case with known disc antennas, in a protective box antenna separated from the antenna by a coaxial cable section of a few meters, it starts as soon as lightning strikes, that is to say when the resulting tension is still low; in the case where the spark gap is separated from the top of the antenna by a coaxial cable section, this section introduces a delay time for the initiation of the spark gap, so that the voltage developed by the lightning has had time to grow before reaching

l'éclateur.the spark gap.

Il est également à noter que l'amorçage de l'éclateur, sans le temps de retard qu'entraînerait un tronçon de câble, fait que l'éclateur participe à la protection contre les impulsions électromagnétiques (IEM) de forte puissance, susceptibles d'atteindre l'antenne. L'éclateur joue alors le rôle d'écrêteur de l'impulsion électromagnétique, et évite que le dispositif de protection contre les impulsions électromagnétiques, non représenté, ait à supporter de très fortes tensions; dans le cas de l'exemple décrit o ce dispositif était situé dans une boîte de protection séparée de l'antenne par un tronçon de 5 mètres de câble coaxial, cela a permis, à exigences identiques, de réduire dans un rapport de plus de deux sa tenue en tension par rapport à ce qui était nécessaire lorsque la même It should also be noted that the initiation of the spark gap, without the delay time that would result from a cable section, causes the spark gap to participate in the protection against electromagnetic pulses (EMI) of high power, likely to reach the antenna. The spark gap then acts as a clipper of the electromagnetic pulse, and prevents the electromagnetic pulse protection device, not shown, from having to withstand very high voltages; in the case of the example described o this device was located in a protective box separated from the antenna by a 5 meter section of coaxial cable, this allowed, with identical requirements, to reduce in a ratio of more than two its holding in tension compared to what was necessary when the same

antenne était équipée d'un éclateur foudre situé dans la boîte de protec- The antenna was equipped with a lightning burst located in the protective box.

tion. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit. Elle s'applique, en particulier, à tous les cas o une inductance est introduite en série entre le point chaud de l'antenne et la borne intérieure de la prise tion. The present invention is not limited to the example described. It applies, in particular, to all cases where an inductance is introduced in series between the hot spot of the antenna and the inner terminal of the socket

coaxiale d'excitation de l'antenne; un éclateur, tel que 4, et un condensa- coaxial excitation of the antenna; a spark gap, such as 4, and a condensate

teur, tel que 5 (figure 4), peuvent, de plus, être disposés entre le point tor, such as 5 (FIG. 4), can, moreover, be arranged between the point

chaud et le point froid de l'antenne. hot and the cold point of the antenna.

L'antenne discône selon l'invention est tout spécialement, mais pas uniquement, destinée à résoudre des problèmes d'utilisation dans des The antenna discone according to the invention is especially, but not only, intended to solve problems of use in

fréquences inférieures à 100 MHz. frequencies below 100 MHz.

Claims

I. Antenna discone, characterized in that, in order to present a low standing wave ratio and refocus its diagram in Smith's abacus, it comprises, in its excitation zone, an inductance (7). ) arranged in series between the hot spot (H: 8, 9) of rantrum and the inner terminal (BI) of the coaxial socket

of excitation of the antenna.

2. Antenna according to claim 1, characterized in that it comprises a capacitive impedance (C) between the hot spot (H) and the

cold point (F) of the antenna.

3. Antenna according to claim 2, characterized in that it comprises a spark gap (4) disposed in the zone between its hot point (H) and its cold point (F) and in that the capacitive impedance (C) is constituted, at least in part, by the parasitic inter-electrode capacitance

reclaimer (4).

Antenna according to any one of the preceding claims,

characterized in that the capacitive impedance (C) is constituted, at least in part, by two metal plates (51, 52) having facing surfaces, these plates being respectively connected to the hot point (H) and to the

cold point (F) of rantenne.

5. Antenna according to claim 3, characterized in that it is pierced with a blind hole closed by a plug (40) and in that this hole

one-eye serves as housing for the spark gap (4).