FR2702597A1 - Antenne radioélectrique compacte pour très basses fréquences . - Google Patents

Abstract

Antenne radioélectrique compacte pour très basses fréquences, comprenant un monopole vertical (1) ayant une extrémité supérieure (2) définissant un sommet (S) de l'antenne (100), et au moins deux bras conducteurs (4, 5) reliés chacun par une de ses extrémités (E, E') au sommet (5) de l'antenne et formant une nappe de sommet (6), caractérisée en ce que chaque bras conducteur (4, 5) comporte un élément selfique (13, 14) disposé en série à un tiers environ de la longueur du bras conducteur (4, 5) mesurée à partir du sommet (3) de l'antenne.

Description

L'invention concerne une antenne radioélectrique compacte pour très basses fréquences, comprenant un monopole vertical.

La hauteur d'une antenne est inversement proportionnelle à la fréquence à laquelle elle doit émettre ou recevoir un signal. Les fréquences auxquelles l'antenne de l'invention doit émettre ou recevoir un signal sont situées environ entre 100 kHz et 3 MHz. I1 en résulte, qu'une antenne monopole rayonnant en quart d'onde devrait avoir une hauteur entre 750 m et 25 m.

Des antennes d'une telle hauteur sont difficiles, voir impossibles à réaliser. Surtout, leur application est limitée à des stations fixes. Des réalisations pratiques, de coût limité et facilement manipulables peuvent être obtenues en mettant en oeuvre un schéma électrique permettant la réduction de la hauteur physique de l'antenne.

Parmi les dispositions utilisées à ce jour pour réduire la hauteur d'une antenne émettant à une fréquence donnée, on trouve notamment l'introduction d'une charge capacitive. Plus particuliêrement, cette charge capacitive est réalisée sous forme d'une nappe de sommet en T ou en V.

L'accord d'une telle antenne à la fréquence de travail est effectué par l'intermédiaire d'une self localisée ou répartie, introduite en série dans la partie rayonnante verticale basse ou haute de l'antenne.

Le fait de réduire la hauteur d'un élément rayonnant entraîne une diminution de sa résistance de rayonnement. En conséquence, la réduction de la hauteur d'une antenne est limitée, car le rapport q de l'énergie utile rayonnée à l'énergie perdue par effet Joule décroît très vite:

ou R est la résistance de rayonnement et R est l'énergie
P perdue par effet Joule.

Pour des hauteurs très réduites, la résistance de perte devient prépondérante et l'antenne dissipe la plus grande partie de l'énergie RF qu'elle reçoit, en calories.

De plus, l'élément complémentaire d'accord, une self ou un autre circuit, ajoute sa propre résistance de perte aux résistances de perte propres des éléments conducteurs de l'antenne. Ceci diminue évidemment à nouveau le rapport T et l'efficacité de rayonnement.

Pour diminuer les pertes globales, on pourrait grossir la section des éléments conducteurs de l'antenne. Ceci entraînerait, par contre, une augmentation. conséquente des masses et du coût de l'antenne. L'augmentation de la masse de l'antenne est particulièrement ressentie lorsque l'antenne de hauteur réduite doit être utilisée pour l'établissement de liaisons mobiles ou provisoires.

Le but de l'invention est de proposer une antenne compacte pour très basses fréquences, comprenant un monopole vertical, qui remédie aux inconvénients précités.

Le but de l'invention est également de proposer une antenne compacte dont la hauteur pour une fréquence d'émission ou de réception donnée est au plus égale à un quart de la hauteur d'un monopole de quart d'onde de même efficacité de rayonnement.

L'invention a pour objet une antenne compacte pour très basses fréquences, comprenant un monopole vertical ayant une extrémité supérieure définissant un sommet de l'antenne, et au moins deux bras conducteurs reliés chacun par une de ses extrémités au sommet de l'antenne et formant une nappe de sommet. Conformément à l'invention, chaque bras conducteur de cette antenne comporte un élément selfique disposé en série à un tiers environ de la longueur du bras conducteur, mesuré à partir du sommet de l'antenne.

Comme il sera expliqué plus en détail en référence aux figures, l'extrémité libre de tout élément rayonnant, située à l'opposé de l'excitation, impose la distribution des courants de l'antenne. Les courants sont pratiquement nuls aux extrémités libres et croissent en fonction de la position du point considéré selon une loi sinusoïdale vers le point d'excitation de l'antenne. Selon l'invention, l'élément selfique est placé dans une portion de l'antenne où le courant partiel est faible.

L'invention concerne également les caractéristiques ciaprès, considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles:
- La nappe de sommet a une géométrie plane.

Cette disposition correspond au type d'antenne communément appelée "antenne en T", le nombre de bras conducteurs qui forment la nappe de sommet étant compris en général entre quatre et huit.

L'utilisation d'une nappe de sommet plane implique bien évidemment la nécessité de points de fixation pour les extrémités libres des bras conducteurs. Généralement, les points de fixation sont présentés par des mâts de support.

- La nappe de sommet a la forme d'un cône renversé.

Cette disposition correspond à une antenne communément appelée "antenne ombrelle". Elle a pour avantage que les extrémités libres des bras conducteurs peuvent être fixées au sol. En conséquence, ce type d'antenne n'a besoin que d'un seul point de fixation au-dessus du sol, ce point de fixation pouvant être constitué par le sommet d'un mât ou par tout autre point élevé au-dessus du sol.

- Le monopole vertical est constitué par un élément filaire.

Cette disposition est utilisée de préférence dans le cas d'une antenne en T ou en L. Le centre de la nappe de sommet constitue en même temps le point de suspens ion de 1 'élément filaire.

- L'antenne comprend au moins deux mâts de support.

- L'antenne comprend autant de mâts de support que de bras conducteurs formant la nappe de sommet.

- Le monopole vertical est constitué par un mât conducteur.

Cette disposition concerne principalement des antennes pour des liaisons mobiles ou provisoires. Elle se prête à la réalisation d'antennes de faible hauteur, par exemple d'une dizaine de mètres. Et plus particulièrement, elle se prête à la réalisation d'antennes qui peuvent être montées et démontées par une ou deux personnes.

- L'antenne comprend une embase destinée à être reliée à des radians de sol formant un plan de terre artificiel ou contrepoids. Le nombre de radians de sol peut être égal au nombre de bras conducteurs de la nappe de sommet.

- L'antenne comprend une articulation reliant l'embase au monopole vertical.

Cette disposition s'applique, de préférence, aux installations mobiles ou provisoires. Cette disposition est destinée à faciliter le montage et le démontage de l'antenne et notamment à rendre possible d'effectuer ces opérations par une ou deux personnes seulement.

- Le monopole vertical est composé d'une pluralité d'éléments emboîtables.

Cette disposition permet de présenter l'antenne dans une forme peu encombrante pour le transport.

- Les mâts de support sont composés chacun d'une pluralité d'éléments emboîtables.

Cette disposition a pour avantage de pouvoir présenter l'antenne dans une version qui, par la dimension des différents éléments la constituant, facilite son transport.

Par ailleurs, une telle antenne peut être adaptée à différentes situations en fonction de l'emplacement prévu.

Plus particulièrement, cette disposition permet de varier la hauteur de chacun des mâts de support indépendamment de l'autre afin d'obtenir, par exemple, en dépit des dénivellements du terrain où l'antenne doit être installée, une nappe de sommet sensiblement plane et horizontale.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description d'un exemple de réalisation faite en référence aux figures:
La Figure 1 montre le principe d'une antenne compacte en T, conforme à l'invention.

La Figure 2 montre, de façon schématisée, une vue de dessus de l'antenne de la Figure 1.

La Figure 3 montre le principe d'une antenne ombrelle, conforme à l'invention.

La Figure 4 montre un exemple préféré de l'antenne compacte selon l'invention, et
La Figure 1 montre le principe d'une antenne compacte en T pour très basses fréquences, conforme à l'invention.

L'antenne est référencée dans son ensemble en 100. Elle comprend un monopole vertical I ayant une extrémité supérieure 2 formant un sommet S de l'antenne et une extrémité inférieure 3.

De plus, l'antenne 100 comprend une pluralité de bras conducteurs reliés chacun par une de ses extrémités au sommet de l'antenne. Le nombre total de bras conducteurs est en général quatre ou six; mais il peut également être huit, douze ou seize. Ces bras conducteurs dont ne sont représentés que les bras conducteurs 4 et 5, constituent une nappe de sommet 6, également appelée "toit capacitif".

Les extrémités libres des bras conducteurs 4 et 5 sont attachées chacune à un mât de support correspondant, référencé sur la Figure 1 en 7 et 8.

Habituellement, l'antenne 100 comprend autant de mâts de support que de bras conducteurs. Chacun des mâts de support 7 et 8 peut être réalisé en une seule pièce. Il est cependant plus avantageux de le fabriquer, à partir d'une certaine hauteur, en deux ou plusieurs éléments. Lors du montage de l'antenne, ces éléments peuvent être assémblés, soit par emboîtement d'un élément dans un autre, soit par superposition des éléments autour de l'axe longitudinal du mât et attachement d'un élément à l'autre au moyen de fixation prévu à cet effet et connu en soi (non représenté) ou par tout autre moyen dont l'homme du métier dispose pour superposer une quantité variable d'éléments pouvant former un mât de support de hauteur variable.

La Figure l montre l'antenne 100 installée sur un terrain plan et horizontal. Il est cependant concevable, notamment au vu des dimensions d'une antenne opérant à quelques dizaines de kHz, que les mâts de support 7 et 8 ne se trouvent pas au même niveau. Par ajustement de la hauteur respective de chacun des mâts 7 et 8, on peut obtenir que la nappe de sommet 6 soit sensiblement plane et horizontale.

Chacun des mâts de support de l'antenne 100 est réalisé en un matériau non conducteur ou est au moins isolé par rapport aux bras conducteurs de la nappe de sommet 6. En outre, chacun des mâts de support est retenu, de manière connue en soi, par des haubans dont la Figure l ne montre que les haubans 9 et 10. Les haubans 9 et 10 sont fixés au sol à des points d'ancrage 18 et 19.

La disposition d'un monopole vertical l, de bras conducteurs formant la nappe de sommet 6, de mâts de support et de haubans, formant ensemble l'antenne 100, est montrée, en vue de dessus schématisée sur la Figure 2.

L'antenne 100 est reliée, à son extrémité inférieure 3, à un équipement émetteur/récepteur (non représenté). Pour la fonction émetteur, ce branchement correspond au branchement d'un dispositif d'excitation à une entrée B de l'antenne. En l'occurrence, l'excitation est reliée à l'antenne entre l'extrémité inférieure 3 du monopole 1 et un réseau de sol 15 disposé au niveau du sol et constituant un plan de terre artificiel, appelé aussi la masse ou contrepoids de l'antenne.

Dans tout élément rayonnant, l'extrémité libre, située à l'opposé de l'excitation, impose la distribution du courant d'antenne. Dans le cas de l'antenne 100, le courant d'antenne est réparti sur l'ensemble des bras conducteurs de la nappe de sommet. Les courants partiels des différents bras conducteurs qui en résultent sont pratiquement nuls aux extrémités libres des bras, référencées en E et E'. Ils croissent en fonction de la position du point considéré, selon une loi sinusoïdale du point E, ou respectivement du point E', vers le point d'excitation B, en passant le sommet S de l'antenne.

Si la longueur ESB de l'antenne est nettement inférieure au quart d'onde, on peut observer qu'au point d'excitation B, l'amplitude du courant passant par le monopole vertical est encore loin d'un maximum, puisque le premier maximum ne peut se produire qu'après un trajet ESB égal à t/4. Pour une antenne ayant une longueur d'environ su/16, ceci veut dire que l'amplitude du courant a atteint, au point
B, environ 75% de sa valeur maximale.

Si l'on introduit maintenant dans l'antenne, conformément à l'invention, des éléments selfiques en série, on obtient une antenne électriquement plus longue. Plus grande est la longueur SE, ou respectivement SE', et plus les courants circulant dans les bras conducteurs sont influents et bénéfiques pour l'efficacité de l'antenne.

Les éléments selfiques, référencés en 13 et 14, sont disposés dans chacun des bras conducteurs de la nappe de sommet 6 à un endroit, référencé en L. Le point L est choisi de façon que LS soit égal à un tiers d'ES. En d'autres termes, l'élément selfique 13, ou respectivement 14, est disposé en série à un tiers environ de la longueur du bras conducteur 4, respectivement 5, mesuré à partir du sommet 2 de l'antenne 100. En fonction des caractéristiques spécifiques de l'antenne réalisée, la distance LS peut prendre une valeur comprise entre 30 et 40% de la longueur ES du bras conducteur, mesuré à partir du sommet 2 de l'antenne.

La Figure 3 montre le principe d'une antenne ombrelle selon l'invention. L'antenne, référencée dans son ensemble en 200, comprend des éléments qui ont des fonctions identiques aux éléments correspondants de l'antenne 100 de la Figure 1 et qui portent, pour cette raison, les mêmes numéros de référence.

Ainsi, l'antenne 200 comprend un monopole vertical l ayant une extrémité supérieure 2, représentant le sommet de l'antenne, et une extrémité inférieure 3. Des bras conducteurs 4 et 5 sont tendus à partir de l'extrémité supérieure 2 vers le sol sur lequel ils sont fixés au moyen d'éléments de fixation isolants 11 et 12.

L'extrémité inférieure 3 de l'antenne et un réseau de sol 15, représentant la masse de l'antenne, sont reliés à un équipement émetteur/récepteur.

Pour la fonction émission de l'équipement, l'extrémité inférieure 3 du monopole vertical 1 représente le point d'excitation B de l'antenne.

Conformément à l'invention, des éléments selfiques 13 et 14 sont disposés en série respectivement dans les bras conducteurs 4 et 5. L'endroit où ces éléments selfiques sont introduits, référencé en L et en L', est situé à 30 à 40% de la longueur du bras conducteur 4 ou 5, mesuré à partir du sommet S de l'antenne. Dans la plupart des cas, l'endroit L sera situé à environ un tiers de la longueur du bras conducteur.

La Figure 4 montre un exemple de réalisation de l'antenne compacte selon l'invention. Cette antenne ombrelle, qui est référencée dans son ensemble en 300, comprend des éléments dont la fonction est identique aux éléments représentés sur la Figure 3 et qui, pour cette raison, portent les mêmes numéros de référence.

Ainsi, l'antenne 300 comprend un monopole vertical 1, constitué d'une pluralité d'éléments emboîtables 21 formant un mât conducteur. Le mât 1 a une extrémité supérieure 2 et une extrémité inférieure 3. L'extrémité inférieure 3 est munie d'une embase 22, avec laquelle elle est reliée mécaniquement, mais par rapport à laquelle elle est isolee électriquement.

Le mât 1 est réalisé essentiellement en un matériau composite à base d'une résine époxy. Chacun des éléments 21 du mât l se présente sous forme d'un tube cylindrique de révolution, couvert d'une couche d'aluminium projetée sur laquelle est appliquée une couche de peinture. Les extrémités de l'élément 21 sont munies d'embouts en inox, collés sur les extrémités du tube avec une colle conductrice.

Les embouts sont au moins partiellement coniques pour assurer une bonne assise, après emboîtement, pour assurer un contact électrique sûr entre les éléments 21 emboîtés.

La liaison mécanique entre le mât 1 et l'embase 22 est réalisée sous forme d'une articulation 23.

Par ailleurs, l'extrémité inférieure 3 comporte un dispositif de branchement 24 permettant de relier l'antenne 300 à un équipement émetteur/récepteur (non représenté) et de connecter une admittance d'adaptation 35 entre le mât 1 et la masse 15 de l'antenne. La disposition de l'admittance 35 en parallèle au branchement de l'équipement radio correspond au principe de réduire, de préférence même d'éviter, toute résistance supplémentaire, montee en série avec le monopole 1 à un niveau de l'antenne où le courant d'antenne a de grandes valeurs.

L'antenne compacte 300 comprend également quatre bras conducteurs 4, 4', 5 et 5'. Ces quatre bras conducteurs sont attachés par l'une de leurs extrémités à l'extrémité supérieure 2 de l'antenne, et par l'autre extrémité, au moyen d'éléments de fixation isolants ll, ll', 12 et 12', à des points de fixation 16, 16', 17 et 17' au sol.

Pour donner plus de stabilité au mât conducteur 1 qui constitue le monopole vertical, des haubans 25 à 28 sont tendus entre les points de fixation 16, 16', 17 et 17', d'une part, et un point 29 situé à peu près à mi-hauteur du mât 1, d'autre part. Les haubans 25 à 28 sont isolés électriquement par rapport au mât 1. Et chacun des haubans 25 à 28 est muni d'un tendeur 30. Le tendeur 30 peut être un tendeur à bille.

L'antenne 300 comprend également quatre radians de sol 31, 32, 33 et 34 constituant un plan de terre artificielle représentant la masse de l'antenne. Les quatre radians de sol 31 à 34 sont reliés électriquement et mécaniquement à l'embase 22.

Conformément à l'invention, des selfs 13, 13', 14 et 14' sont disposées en série dans les bras conducteurs correspondants 4, 4', 5 et 5'.

L'antenne 300, telle que représentée sur la Figure 4, trouve son application par exemple en tant qu'antenne d'une station d'émission/réception installée temporairement. Deux personnes, éventuellement même une seule personne, sont capables de monter et de démonter cette antenne. Ceci est notamment possible grâce à la disposition de l'articulation 23 au pied du monopole 1.

A titre d'exemple dimensionnel, on peut concevoir que l'antenne doit travailler à une fréquence de 2 MHz. La hauteur du monopole 1 n'est que de 9 mètres environ, et le mât constituant le monopole vertical 1, est composé de neuf éléments emboîtables. Les selfs 13, 13', 14 et 14' ont une inductivité de 44 pH et elles sont placées respectivement à environ 3,5 mètres du sommet de l'antenne.

Les signes de référence insérés après les caractéris- tiques techniques mentionnées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières, et n'en limitent aucunement la portée.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Antenne radioélectrique compacte pour très basses fréquences, comprenant un monopole vertical (1) ayant une extrémité supérieure (2) définissant un sommet (S) de l'antenne (100; 200; 300), et au moins deux bras conducteurs (4, 5) reliés chacun par une de ses extrémités (E, E') au sommet (S) de l'antenne et formant une nappe de sommet (6), caractérisée en ce que chaque bras conducteur (4, 5) comporte un élément selfique (13, 14) disposé en série à un tiers environ de la longueur du bras conducteur (4, 5) mesurée à partir du sommet (5) de l'antenne.

2. Antenne selon la revendication l, caractérisée en ce la nappe de sommet (6) a une géométrie plane.

3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la nappe de sommet (6) a la forme d'un cône renversé.

4. Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le monopole vertical (1) est constitué par un élément filaire.

5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'antenne comprend au moins deux mâts de support (7, 8).

6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'antenne comprend autant de mâts de support (7, 8) que de bras conducteurs (4, 5) formant la nappe de sommet (6).

7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le monopole vertical (1) est constitué par un mât conducteur.

8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'antenne comprend une embase (22) destinée à être reliée, à des radians de sol (15) formant une masse de l'antenne, le nombre de radians de sol (15) étant égal au nombre de bras conducteurs (4, 5) de la nappe de sommet (6), et, mécaniquement seulement, au monopole vertical (1).

9. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'antenne comprend une articulation (23) reliant l'embase (22) au monopole vertical ( 1).

10. Antenne selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que le monopole vertical (1) est composé d'une pluralité d'éléments emboîtables (21).

11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que les mâts de support (7, 8) sont composés chacun d'une pluralité d'éléments emboîtables.