FR2703837A1 - Antenne à onde progressive à amplification paramétrique. - Google Patents

Abstract

Antenne à onde progressive à amplification paramétrique utilisant l'amplification paramétrique produite par un fort couplage, ou résonance, entre l'onde induite dans la ligne et l'onde de ciel incidente, comprenant une embase ou un sol dont les constantes électriques remplissent la condition de résonance et un fil conducteur ou un groupement de tels fils disposé au-dessus de l'embase ou du sol. Les deux extrémités du fil, ou les extrémités réunies des fils, sont reliées à l'embase ou au sol sans réflexions par l'impédance caractéristique.

Description

Antenne à onde progressive à amplification paramétrique

La présente invention concerne une antenne à onde progres-

sive du type horizontal utilisant un conducteur constitué par

un fil ou un ruban métallique ou un groupement de tels conduc-

teurs, disposé au-dessus d'un sol.

Il y a deux types d'antennes horizontales, à savoir l'antenne à ligne microruban et l'antenne pleine onde (antenne

Beverage), analogue comme constitution à l'antenne de l'inven-

tion Pour le retour par le sol, l'antenne à ligne microruban utilise une base métallique, tandis que l'antenne pleine onde utilise le sol naturel, qui a une conductivité finie L'antenne classique à ligne microruban est toutefois très différente de l'antenne pleine onde et de l'antenne de l'invention comme

principe de fonctionnement du fait des effets différents résul-

tant des conductivités respectives élevée et basse de l'embase

et du sol Par conséquent, l'invention concerne plutôt l'an-

tenne pleine onde en ce sens qu'une onde progressive induite

dans le fil est en outre couplée à l'onde de ciel incidente.

La figure 6 est une vue schématique de l'antenne pleine onde décrite dans un article intitulé "The Wave Antenna A New Type of Highly Directive Antenna" (L'antenne pleine onde un

nouveau type d'antenne très directive) publié par H H Beve-

rage, C W Rice et E W Kellog dans le périodique A I E E,

Vol 42, février 1923, pages 215-266, référence l 1 l, o la ré-

férence numérique 9 désigne un fil conducteur dont la longueur est d'environ la longueur d'onde et qui est disposé de quelques mètres à dix mètres au-dessus du sol et est orienté pour être

situé dans le plan d'incidence de l'onde, la référence 10 dé-

signe le retour par la terre, la référence 3 l'extrémité libre, ou "entrée", tournée du côté de l'émetteur, la référence 4

l'extrémité reliée au récepteur, et la référence 5 un récep-

teur Lorsque l'onde transmettant un signal atteint l'antenne, une force électromotrice est induite dans le fil horizontal Un faible courant ainsi induit dans chaque élément de longueur du fil commence à circuler vers l'extrémité reliée au récepteur d'o le courant total cumulé par additions successives est conduit au récepteur 5 Par conséquent, l'antenne pleine onde exploite le fait que l'amplitude du courant induit devient

maximale en un point déterminé du fil 9.

L'antenne pleine onde classique décrite succinctement ci-

dessus a été utilisée jusqu'ici pour la partie de la gamme des

ondes longues située au-dessous de 10 k Hz en fréquence ou au-

dessus de 3 km en longueur d'onde, et la vitesse de l'onde in-

duite dans le fil est quelque peu inférieure à la vitesse de la lumière (onde lente), tandis que la vitesse du front de l'onde de ciel incidente le long du fil est supérieure à la vitesse de la lumière (onde rapide) pour une incidence oblique et est égale à celle-ci pour une incidence horizontale Du fait de cette différence de vitesse entre l'onde induite dans la ligne et l'onde de ciel, il se produit des effets d'interférence, le courant induit dans le fil commençant par augmenter d'intensité

sur une certaine distance, puis diminuant, comme cela est re-

présenté par la ligne en trait interrompu sur la figure 3 (voir également la figure 2 à la page 216 de la référence 1) Cela est dû à une différence de phase entre l'onde de ciel incidente

et l'onde induite dans la ligne, le long du fil 9, due elle-

même à la différence de vitesse, les phases différentes se com-

binant pour réduire le courant dans la ligne En d'autres

termes, l'onde induite dans la ligne n'est que faiblement cou-

plée à l'onde de ciel pour une incidence horizontale ou presque horizontale Par conséquent, l'amplification de l'élément de courant luimême induit dans la ligne ne se produit pas dans l'antenne pleine onde classique, sa constante d'atténuation restant égale à celle de l'onde propre de la ligne, ao (> 0) (onde amortie) Par conséquent, le gain de l'antenne pleine

onde classique reste plutôt faible.

La présente invention a pour but de résoudre ce problème

et exploite à cette fin un effet nouveau d'amplification para-

métrique de l'onde induite dans la ligne par l'onde de ciel in- cidente résultant d'un fort couplage, ou résonance, entre les deux ondes Cet effet est obtenu en rendant la vitesse de phase de l'onde induite suffisamment proche de la vitesse du front de l'onde de ciel le long du fil dans les conditions suivantes: la matière du sol est un semiconducteur ou un diélectrique à

pertes dont les constantes (conductivité, constante diélec-

trique et perméabilité magnétique) sont telles que la condition de résonance Q'-Q > Sc/4 a soit remplie, o Q et Q' sont des fonctions de Carson étendues résultant de la conductivité finie du sol, comme cela sera défini explicitement plus loin, 6 c est l'épaisseur de peau du fil, et a est le rayon du fil Les deux

extrémités du fil ou des fils réunis aux extrémités sont re-

liées au sol par l'impédance caractéristique Le courant induit dans la ligne par l'onde de ciel augmente alors pour un certain

angle proche de l'incidence rasante auquel se produit la réso-

nance, en acquérant de l'énergie provenant de l'onde de ciel

et, par conséquent, le courant dans la ligne subit une amplifi-

cation paramétrique résultant de son fort couplage, ou réso-

nance, avec l'onde de ciel au fur et à mesure qu'il circule

dans le fil, et devient maximal à l'extrémité reliée au récep-

teur Une distinction de terminologie faite dans ce qui suit

entre "semiconducteur" et "diélectrique à pertes" est la sui-

vante: dans un semiconducteur, le courant de déplacement est approximativement comparable au courant de conduction (a csu e),

tandis que dans un diélectrique à pertes, le courant de dépla-

cement est beaucoup plus intense que le courant de conduction

(a " Ce).

A cette fin, l'invention fournit une antenne à onde pro-

gressive à amplification paramétrique ayant un gain et une di-

rectivité remarquablement élevés pour la réception d'ondes dans

une large gamme d'applications.

L'invention est décrite ci-après en relation avec les des-

sins annexé, dans lesquels: la figure 1 est un schéma d'une antenne à onde progressive à amplification paramétrique basée sur un mode de réalisation de l'invention; la figure 2 illustre schématiquement et comparativement

l'amplification paramétrique due à un fort couplage, ou réso-

nance, pour l'antenne de l'invention et l'atténuation due à un faible couplage pour l'antenne pleine onde classique, dans les deux cas entre l'onde de ciel incidente et l'onde induite dans la ligne le long du fil; la figure 3 illustre les résultats d'une comparaison de l'antenne de l'invention à l'antenne pleine onde classique pour la répartition du courant le long du fil; la figure 4 est un schéma d'un autre mode de réalisation

basé sur l'invention, dans lequel le conducteur en fil métal-

lique décrit plus haut est noyé dans un bloc parallélipipédique de diélectrique à grande constante diélectrique placé sur l'embase; la figure 5 est un schéma d'un autre mode de réalisation basé sur l'invention, dans lequel l'antenne est disposée dans une

boîte à parois diélectriques minces remplie d'une huile iso-

lante à grande constante diélectrique et faible conductivité, l'embase et le conducteur en fil métallique baignant, par conséquent, dans l'huile; et -la figure 6 est un schéma de la constitution de l'antenne

pleine onde classique.

Des modes de réalisation préférés de l'invention sont dé-

crits ci-après en relation avec les dessins annexés.

En référence à la figure 1, une antenne à onde progressive

à amplification paramétrique a un fil conducteur 1 ou un grou-

pement de tels fils conducteurs ( 3 à 7) disposé au-dessus d'une

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embase 2 qui constitue un chemin de retour du courant pour le ou les fils mentionnés ci-dessus La longueur 1 de chaque fil est telle que aol " 1 (a est la constante d'atténuation de l'onde propre), Bol > 1 ou 1 > t (i est la longueur d'onde de l'onde de ciel), et chaque fil est disposé à une hauteur au- dessus de l'embase ou du sol approximativement égale à la longueur d'onde ou moins à des intervalles égaux inférieurs à une demi-longueur d'onde Aux deux extrémités 3 et 4 des fils,

ceux-ci sont réunis entre eux et reliés à l'embase par l'impé-

dance caractéristique Zo L'extrémité 4 tournée du côté du

récepteur est reliée à un récepteur 5.

Le matériau du fil est constitué par du cuivre, et le rayon a et la hauteur h du fil diminuent naturellement avec l'augmentation de la fréquence f, bien que le premier paramètre soit moins critique que le second; par exemple, a = 2,5 à 0,5

mm et h = 7,5 m à 1 cm pour f = 5 M Hz à 50 G Hz pour l'air am-

biant En conséquence, l'impédance caractéristique est détermi-

née par ces dimensions et les propriétés électriques du sol et

se compose d'une composante résistive et d'une petite compo-

sante réactive La longueur de l'embase 2 est un peu plus

grande que celle du ou des fils, la largeur étant approximati-

vement égale à la longueur d'onde pour un fil unique, et plus large que le groupement de fils d'environ la longueur d'onde pour des fils multiples, et l'épaisseur étant approximativement

égale à l'épaisseur de peau ou moins.

L'embase est constituée d'un semiconducteur ou d'un di-

électrique à pertes dont la conductivité et la constante di-

électrique sont déterminées de manière à vérifier les relations suivantes selon la gamme de fréquences utilisée:

Q._Q_ 4 > O

4 a Re-l _SO(u U 2-(k 22 ku 2) ek( 2 h a)ud k 22-1 ( 12 0 Q R dû -( 2 h-a)u Q' =Re S e 7 Uud-( 22 uk k k 22 =E 2 2 i 2j& 292 " 1 = 2 = O n=k 22/k 2 ôc= 2/(jcaf) o Re est la partie réelle, k est le nombre d'ondes, a, E et A sont respectivement la conductivité, la constante diélectrique et la perméabilité magnétique, X = 29 Wf est la pulsation, h la hauteur du ou des fils, a le rayon du fil, Sc l'épaisseur de peau, et les indices c, 1 et 2 désignent respectivement le conducteur en fil, le milieu 1 (environnement diélectrique) et

le milieu 2 (embase ou sol).

Au fur et à mesure que l'onde de ciel se propage le long de l'antenne sous un angle proche de l'incidence rasante, elle

induit une force électromotrice successivement dans les diffé-

rentes parties de la ligne en produisant les courants direct et inverse le long du fil dans les deux sens Le courant direct commence à circuler en suivant exactement le front incliné de l'onde de ciel et augmente d'intensité en acquérant de l'énergie prélevée à l'onde de ciel au fur et à mesure qu'il progresse vers l'extrémité reliée au récepteur En d'autres termes, le courant direct induit est fortement couplé à l'onde de ciel, recevant une amplification paramétrique de celle-ci et présentant un gain et une directivité remarquablement élevés, et est finalement absorbé sans réflexions par une charge, ou

"terminaison", mise à la terre égale à l'impédance caractéris-

tique à l'extrémité reliée au récepteur D'autre part, l'onde inverse induite dans le fil se propage dans le sens opposé et est également absorbée sans réflexions par une charge adaptée à l'impédance caractéristique Par conséquent, aucune interaction

ne se produit entre l'onde directe et l'onde inverse Par ail-

leurs, le gain de l'antenne pour une antenne multiple à N fils est augmenté et atteint 20 log 1 o N d B par rapport à un fil unique Par exemple, le gain atteint 20 log 1 o 3 9,54 d B pour

une antenne à trois fils.

La figure 2 illustre la relation existant entre l'onde de ciel incidente et l'onde induite dans la ligne pour l'antenne à onde progressive à amplification paramétrique et pour l'antenne pleine onde classique Supposons que l'antenne reçoive l'onde de ciel transmettant un signal dont la surface du front d'onde coïncide avec un plan AB à un instant t Après l'écoulement

d'un temps différentiel At, la surface du front d'onde est dé-

placée et coïncide avec un plan A'B' Ensuite, le point A

d'intersection du front d'onde avec la surface du sol se dé-

place le long de la surface de la valeur de c At/sin ei En conséquence, la vitesse de phase apparente de l'onde incidente dans la direction horizontale devient c/sin ei et est plus

grande que la vitesse de la lumière (onde rapide).

Dans le cas de l'antenne à onde progressive à amplifica-

tion paramétrique, l'onde X induite dans la ligne au point P

d'intersection du front de l'onde de ciel avec le fil 1 se dé-

place et atteint le point P après un temps différentiel At, ce qui a pour résultat une vitesse de phase apparente égale à c/sin ei (onde rapide) qui est aussi égale à la vitesse du front de l'onde de ciel le long du fil, mais seulement lorsque l'angle d'incidence de l'onde de ciel est égal à un certain

angle de résonance proche de l'incidence rasante et défini ex-

plicitement plus loin.

Plus précisément, l'onde induite dans la ligne se propage

constamment vers la droite avec l'onde de ciel, et son ampli-

tude augmente de X à la ligne en trait continu sur la figure 2 du fait du fort couplage entre les deux ondes, acquérant ainsi

de l'énergie prélevée à l'onde de ciel par amplification para-

mètrique. Dans le cas de l'antenne pleine onde classique, par contre, la vitesse de phase de l'onde induite est inférieure à la vitesse de la lumière (onde lente), ce qui ne crée qu'un faible couplage avec l'onde de ciel d'incidence horizontale ou presque horizontale, comme cela sera décrit en détail plus loin Il en résulte que le point P d'intersection du front de l'onde de ciel avec le courant induit dans le fil se déplace pour atteindre le point P" sur la figure 2, représentant une onde amortie au-delà d'une certaine distance, comme cela a été mentionné plus haut et est en outre représenté par la ligne en

trait interrompu b sur la figure 3.

A ce sujet, la figure 3 montre comment le courant induit varie le long du fil dans l'antenne paramétrique de l'invention

et dans l'antenne pleine onde classique La répartition du cou-

rant (a) dans l'antenne de l'invention augmente d'une façon mo-

notone avec la distance le long de l'antenne en formant une onde d'amplitude croissante par l'effet paramétrique décrit

plus haut et devient maximale à l'extrémité reliée au récep-

teur, en présentant ainsi un gain remarquablement élevé Cet effet d'amplification paramétrique est analogue à celui des tubes à onde progressive; à la place des faisceaux d'électrons, l'onde de ciel jour un rôle amplificateur en fournissant de l'énergie au courant induit dans la ligne, le courant induit dans la ligne correspondant à l'onde progressive se propageant

le long d'un circuit hélicoïdal Il y a cependant une diffé-

rence essentielle qui consiste en ce que l'onde de ciel inci-

dente joue un rôle double pour l'antenne à onde progressive à amplification paramétrique Le premier rôle consiste à induire l'onde rapide dans le fil, ou ligne, et le second consiste à amplifier paramétriquement en même temps l'onde induite dans la

ligne Les faisceaux d'électrons dans un tube à onde progres-

sive, quant à eux, ne jouent qu'un seul rôle, qui consiste à

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amplifier une onde lente extérieure.

Une théorie mathématique de l'antenne à onde progressive à amplification paramétrique est exposée ci-après en relation étroite avec sa constitution réelle Supposons que l'antenne de l'invention ait un unique fil conducteur de longueur 1 disposé

à une hauteur h au-dessus d'une embase ou du sol et soit refer-

mée par l'impédance caractéristique Zo aux deux extrémités, comme cela est représenté sur la figure 1, et choisissons l'axe z orienté parallèlement au fil Lorsqu'une onde de ciel plane est incidente sur le fil, le courant induit dans le fil I(z)

vérifie l'équation télégraphique suivante avec une source exté-

rieure, comme cela est décrit dans un article intitulé "Active Distributed Parameter Lines with Ground Return" (Lignes actives à constantes réparties avec retour par la terre) publié par H. Kikuchi dans les Comptes-rendus du Symposium international de Wroclav sur la compatibilité électromagnétique, 1984, pages 153 à 162, référence l 2 l: d 21 d-r 2 I =-y E(e) ( 1) d z 2 et sa solution est donnée par: 1 () (e)(i) e-lz ( 1 e(r-jklsin 6 i) z E( 6) e { 1-e} 2 5 1 ( z) = I _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2 Z 0 F j k 1 sin 6 i e -jklzsin Oi -ikl(I-z)sin i r(z)} () F+j ki) k sin O ( 2) o j = /Tî, r = a + j B est la constante de propagation de la ligne, a et B sont respectivement les constantes d'atténuation et de phase, si est l'angle d'incidence, k 1 le nombre d'ondes dans le milieu 1, Y l'admittance shunt, et E(e) la composante horizontale du champ électrique total des ondes incidente et réfléchie dans le plan d'incidence et est écrite sous la forme: E)(z)=Eicos Oi e -jklzsini(e ikihcos 8 i R e-iklhcos O i) E(e) (Od -Jklzsini *( 3) =E" (e)(oe À ( 3)

o E(e) est le champ électrique de l'onde incidente, h la hau-

teur du fil, et R le coefficient de réflexion.

Ensuite, les courants aux extrémités d'entrée et du côté

du récepteur I( 0) et I( 1) et le gain G de l'antenne sont expri-

més respectivement sous la forme: e I ( E(e)(i) 1 _-e-(r+jklsin" _i) 2 Z O F +jklsinoi ( 4) ='(e)(Si) { 1-e(r-iklsin O i) } e-Fr 2 Z O F-Jklsin Si C= 20 o 910 k{ ld Bl ( 6) On voit que le gain atteint 20 log 10 N d B pour l'antenne à

N fils.

On obtient maintenant la constante de propagation pour les

deux cas de faible couplage ro et de fort couplage r, corres-

pondant respectivement à l'antenne pleine onde classique et à

l'antenne paramétrique de l'invention.

(i) r = jk 1 sin Oi: cas de faible couplage La constante de propagation de l'onde induite le long du fil est égale à celle de l'onde propre de la ligne, à savoir il 2703837 r = ro, a = ao, B = Bo, et l'onde induite dans la ligne n'est que faiblement couplée à l'onde de ciel incidente C'est le cas de l'antenne pleine onde classique et l'onde induite dans la

ligne est une onde lente dont la vitesse de phase est infé-

rieure à la vitesse de la lumière, à savoir Vpo = /Bo O < c/k 1

= c (vitesse de la lumière dans le milieu 1).

(ii) r z jk 1 sin si: cas de fort couplage, ou résonance Puisque r jk 1 sin 8 i = a + j(B k 1 sin 8 i) 0, on a B X k 1 sin Oi ( O < ei < /2) De sorte que l'onde induite dans

la ligne devient une onde rapide avec une vitesse de phase su-

périeure à la vitesse de la lumière On a alors les relations suivantes pour la vitesse de phase Vp et la constante de phase

B de l'onde induite dans la ligne et pour le courant à l'extré-

mité reliée au récepteur: V = C c 1 + 6 (f,i) c ( 7) p k 1 sin 6 sinei ( 1-6)=ki( 1) (>) c O O < lsin O i"lsin O i < 1 ''9 I(B) E)e ( 10) 2 Z O Sur la base de ces relations, nous obtenons toutes les

constantes de la ligne dans le cas de fort couplage, ou réso-

nance, à partir des équations de la ligne à constantes répar-

ties avec des sources réparties et l'expression de la réparti-

tion du courant le long du fil, en référence à l'équation ( 15), page 158, de la référence l 2 l:

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Z ZIE(e) * *I( 1)

-=YV - '

a z 8 z 8/8 z =-Fr À -'( 11 a) I (z) = 2 E(e)(z) À 1) r u/ Z O () * * * ( 12) r 2-r 2 r O =a O + jO =Fz YO = Z/Y ( 12 a) (O 1 6 c j, c ô 2 h-a Z= (-+ +P)±a+ 2 n()+ 2 Qn) ( 12 b) 4 a 22 a Y= 2 ffzco 2 _ + 2 P) ( 12 c) { 2 N ( 2 h 2 a len( 2 a)} {en( 2 -a)+ 2 Q) a a o ro est la constante de propagation connue de l'onde propre

de la ligne donnée dans les articles intitulés "l Wave Propaga-

tion along Infinite Wire above Ground at High Frequencies"' (Propagation d'une onde le long d'un fil infini au-dessus du

sol à des fréquences élevées) publié par H Kikuchi dans le pé-

riodique Electrotechnical Journal of Japan, volume 2, n 3/4, 1956, pages 73 à 78, référence l 3 l "Propagation Coefficient of the Beverage Aerial" (Coefficient de propagation de l'antenne Beverage) publié par H Kikuchi dans le périodique Proceedings

of the IEE, volume 120, N O 6, juin 1973, pages 637-638, réfé-

rence l 4 l, ou "Power Line Transmission and Radiation" (Transmission et rayonnement par les lignes de transport d'énergie), par H Kikuchi dans l'ouvrage intitulé "Power Line Radiation and its Coupling to the Ionosphere and Magnetosphere" (Rayonnement des lignes de transport d'énergie et son couplage

à l'ionosphère et la magnétosphère) édité par H Kikuchi, Rea-

del, Dordrecht, 1983, pages 59 à 80, référence l 5 l.

A partir des équations ( 10) et ( 12), la constante de pro-

pagation de l'onde induite dans la ligne pour un fort couplage, ou résonance, est déterminée sous la forme suivante: a 4 a 1-n#-( a O) 1 < O ( a O e 1 < 1)( 13) R( 1/2)+a 1

-1 + + 1 +E 2 ( 14)

1 +î 02 e 2 Maintenant, la constante d'atténuation de l'onde induite dans la ligne devient négative, a < 0, étant forcée de changer le signe de la constante d'atténuation de l'onde propre de la

ligne, a > 0, comme résultat du fort couplage, ou résonance.

En conséquence, l'onde induite dans la ligne devient une onde d'amplitude croissante au lieu de devenir une onde d'amplitude

décroissante dans le cas de faible couplage.

Par conséquent, l'onde de ciel incidente joue un double

rôle en engendrant l'onde induite dans la ligne et en l'ampli-

fiant paramétriquement Malgré ce changement complet qui consiste à passer d'une atténuation à une amplification, le

changement de la constante ou la vitesse de phase est négli-

geable De sorte que l'onde induite dans la ligne est encore une onde rapide, bien que sa vitesse de phase soit denenue très légèrment plus faible que celle de l'onde propre de la ligne, ce qui donne la relation suivante entre la vitesse de phase de l'onde induite dans la ligne et l'onde propre de la ligne:

14 2703837

Vp= o = Vp=c( 1 + 6)= ( 1-e)=V( 1-e) a O BB P B O P =C( 1 + 60) ( 1-e)c, ( O < O <<< 1)À *( 15) Ensuite, l'angle de résonance lilRés, à savoir l'angle d'incidence conduisant à un fort couplage, ou résonance, est donné par l'équation: sinl 8 ilRes= 1 - 6 =( 1 +e)( 1-61)1-,( 60 >e)( 16) ou, en posant ei = (Xi/2): lE 2 lRe= 60 oe-6 o ( 6 o"e) ( 17) D'autre part, la vitesse de phase de l'onde propre de la ligne s'écrit sous la forme suivante selon l'équation ( 21), page 66, dans la référence l 5 l à partir des équations ( 12 a), ( 12 b), ( 12 c) et ( 15) en tenant compte de ce que lSc/4 a, Q, Q', P, P'l <" lnl( 2 h-a)/al, en conservant le premier terme de leurs développements en série et en prenant la partie imaginaire de ro: V (( 6 c/4 a)+Q-Q' C= Ln {( 2 h-a)/a} o Q et Q' sont écrits dans les références l 3, 4, 5 l sous la forme suivante:

Q 2

Q-j P= Sk 2(uvu 2-( c 2-k,2)le (Inu k 22-k 12 2 e -( 2 h-a)u Q -i P = S nu+u 2-(k 22-k 2) du ( 20) ' lu-U/u 2-( k 22- kl 2)l o Re est la partie réelle, k 12 =Cj 2 Ell, k 22 = W 2 E 292-j u 292, k est le nombre d'ondes, a, e, g sont respectivement la conduc- tivité, la constante diélectrique et la perméabilité, c O = 2 f est la pulsation, N 2 = k 22/k 12, h et a sont respectivement la hauteur et le rayon du fil, Sc = /2/oawc P est l'épaisseur de

peau du fil, 91 = 92 = Po, et les indices 1 et 2 désignent res-

pectivement le milieu 1 (diélectrique) et le milieu 2 (embase ou sol) Les fonctions Q et Q' sont obtenues numériquement en

utilisant des tables ou des graphiques tels que ceux de la fi-

gure 3, page 70, dans la référence l 5 l.

Pour déterminer le matériau à utiliser pour l'embase ou le

sol pour une certaine gamme de fréquences, on choisit des pro-

priétés électriques, à savoir la conductivité et la constante diélectrique, constantes de manière à remplir la condition de résonance suivante: Qt Q (Sc/4 a) > O ( 21) en utilisant un ensemble de tables ou de graphiques établis

comme indiqué plus haut.

Par exemple, pour une gamme de fréquences de la télévision autour de 100 M Hz, la condition de résonance ( 21) peut être remplie pour u 2 = 10-1 à 1 S/m et E 2 = 2 à 5 eo (eo = constante diélectrique de l'air) De sorte que l'onde propre de la ligne devient une onde rapide Pour calculer l'angle de résonance pour l'utilisation d'une telle embase, on calcule d'abord Q et Q' en utilisant un ensemble de tables ou de graphiques, comme cela a été mentionné plus haut, après avoir choisi le rayon et la hauteur du fil, par exemple aux valeurs de 2,5 à 0,5 mm et de 7,5 m à 1 cm, respectivement, pour f = 5 M Hz à 50 G Hz pour l'air ambiant Utilisant ces valeurs de Q et Q', on calcule la vitesse de phase de l'onde propre de la ligne à partir de l'équation ( 18) Ensuite, les valeurs de 80 et e sont déduites

des équations ( 14) et ( 15) et, finalement, l'angle de fort cou-

plage, ou résonance, lGilRés est déduit de l'équation ( 16) Par conséquent, l'angle de résonance peut être déterminé théorique- ment pour des fréquences données En pratique, toutefois, on peut rendre l'inclinaison de l'embase variable et la régler de

manière à obtenir expérimentalement la réception maximale.

Pour obtenir les constantes électriques telles que la conductivité et la constante diélectrique de l'embase ou du sol à utiliser pour des fréquences données de manière à remplir la

condition que l'onde propre de la ligne devienne une onde ra-

pide, dont la vitesse de phase est supérieure à la vitesse de la lumière, on utilise des expressions théoriques, des tables et/ou des graphiques établis sur la base des références l 3 à l.

Comme cela a été décrit plus haut, l'antenne de la pré-

sente invention met à profit un effet d'amplification paramé-

trique dû à un fort couplage, ou résonance, entre l'onde in-

duite dans le fil et l'onde de ciel incidente en reliant à l'embase ou au sol, sans réflexions, les deux extrémités d'un fil unique ou d'un groupement de plusieurs fils et en utilisant un semiconducteur ou un diélectrique à pertes pour l'embase ou le sol, dont les constantes électriques vérifient l'équation ( 21) pour les fréquences à utiliser Par conséquent, lorsque l'onde de ciel incidente atteint l'antenne sous un certain

angle proche de la direction horizontale, une force électromo-

trice induite dans le fil donne naissance à un courant le long du fil et, par suite de l'effet du retour du courant dans

l'embase ou le sol, son onde progressive devient une onde ra-

pide dont la vitesse de phase est légèrement supérieure à la vitesse de la lumière pour une certaine gamme de fréquences La vitesse de phase de l'onde induite devient alors égale à celle de l'onde de ciel incidente dans la direction horizontale, ce

qui crée un fort couplage, ou résonance, entre les deux ondes.

Par conséquent, le courant dans le fil est amplifié par effet paramétrique de l'onde de ciel incidente et devient maximal à

l'extrémité 4 reliée au récepteur et présente un gain remarqua- blement élevé. Par conséquent, en faisant coïncider l'angle de résonance

avec l'angle d'incidence, l'antenne de l'invention offre un gain très supérieur à celui de l'antenne de réception classique

telle qu'une antenne utilisée pour la télévision ou la diffu-

sion de programmes par satellite L'embase ou le sol joue un

rôle en permettant une amplification paramétrique de l'onde in-

duite dans la ligne par l'onde de ciel incidente.

De plus, la production en série du matériau de l'embase ou

du sol pour des fréquences données peut être réalisée facile-

ment en établissant un procédé de fabrication d'un semiconduc-

teur ou d'un diélectrique à pertes ayant des constantes diélec-

triques spécifiées pour le matériau tel qu'une sorte de béton.

Dans les modes de réalisation décrits plus haut, un semi-

conducteur ou un diélectrique à pertes spécifié est employé pour le retour au sol d'un fil unique ou d'un groupement de plusieurs fils L'invention peut également être appliquée à une

antenne d'engin spatial ou d'aéronef en collant une mince mem-

brane du matériau sur la surface de l'engin spatial ou de l'aé-

ronef, en assurant ainsi une grande directivité dans la direc-

tion de vol. Pour miniaturiser le système d'antenne décrit plus haut

pour des fréquences données ou pour l'utiliser pour des fré-

quences moins élevées, une loi de similitude peut être appli-

quée à un milieu diélectrique ayant un indice de réfraction n, dans lequel la longueur d'onde est réduite à 1/n En pratique, cela peut être réalisé en noyant l'antenne décrite plus haut dans un bloc parallélipipédique 6 de diélectrique ayant une grande constante diélectrique placé sur une embase, comme cela

est représenté sur la figure 4 Par exemple, dans un milieu di-

électrique dans lequel la constante diélectrique atteint 100, les dimensions de l'antenne peuvent être réduites au dixième de

celles nécessaires dans l'air ambiant.

Une miniaturisation analogue peut être réalisée en dispo-

sant l'antenne dans une boîte à parois diélectriques minces 8 et en remplissant la boîte avec une huile isolante 7 à grande constante diélectrique et faible conductivité, l'embase et le conducteur constitué par un fil baignant dans l'huile, comme

cela est représenté sur la figure 5.

L'invention peut aussi être appliquée à un sol naturel au lieu d'un sol artificiel constitué par une embase, comme dans le cas de l'antenne pleine onde classique Dans ce cas, la

gamme de fréquences de résonances correspondant à un fort cou-

plage est abaissée à 1-100 M Hz selon les constantes élec-

triques, c'est-à-dire la conductivité et la constante diélec-

trique, de la terre à partir d'une gamme d'ondes ultra-courtes, ou microondes, pour le retour par l'embase dans le mode de

réalisation décrit plus haut Par conséquent, la gamme de fré-

* quences à utiliser pour le retour par la terre est beaucoup plus élevée que celle à utiliser pour l'antenne pleine onde

classique, qui se situe au-dessous de 100 k Hz environ.

L'invention peut également être appliquée au retour par

l'océan au lieu du retour par le sol naturel décrit ci-dessus.

La gamme de fréquences à utiliser est alors plus élevée et s'étend de 10 à 500 M Hz En pratique, l'antenne de l'invention

peut être installée sur des navires et bateaux.

Comme cela a été décrit plus haut, l'invention peut être

appliquée à une large gamme de fréquences pour les ondes moyen-

nement courtes, les ondes courtes et les ondes ultracourtes,

mais pas pour les longueurs d'onde correspondant à des fré-

quences inférieures à 100 k Hz comme dans l'antenne pleine onde

classique à gain moindre, en utilisant non seulement un sol na-

turel pour le retour du courant, mais également une embase en semiconducteur ou en diélectrique à pertes ayant des dimension

s et des constantes électriques convenant aux fréquences néces-

saires et à l'usage prévu Par conséquent, selon les fréquences à utiliser, le circuit de retour choisi est le sol naturel pour les ondes moyennement courtes, les ondes courtes et les ondes ultracourtes, l'océan pour les ondes courtes et les ondes ul- tracourtes, ou une embase en semiconducteur ou en diélectrique

à pertes spécifié pour les ondes ultracourtes.

Les modes de réalisation décrits plus haut sont destinés à être utilisés principalement comme antenne de réception pour la télévision et la diffusion de programmes par satellites, pour le radar et pour les radiocommunications internationales, mais l'invention peut être appliquée et utilisée couramment comme antenne d'émission très directive pour les radiocommunications

et le radar Dans ce cas, un émetteur ou un générateur de si-

gnaux est relié à une extrémité de l'antenne tandis que

l'extrémité opposée doit être ouverte.

En résumé, la présente invention concerne des antennes à onde progressive à amplification paramétrique obtenue au moyen d'un fort couplage, ou résonance, entre l'onde induite dans la ligne et l'onde de ciel incidente, et peut être appliquée dans une large gamme de fréquences à presque toutes les sortes de

radiocommunications et notamment à la télévision et à la diffu-

sion de programmes par satellite, aux radiocommunications in-

ternationales, aux radiocommunications maritimes et aux fais-

ceaux hertziens transhorizon, en constituant un système de ré-

ception à grand gain et grande directivité.

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Claims (8)

Revendications

1 Antenne à onde progressive à amplification paramétrique utilisant l'amplification paramétrique par fort couplage, ou résonance, entre l'onde induite dans la ligne et l'onde de ciel incidente, caractérisée en ce qu'elle comprend: des moyens formant embase dont les constantes électriques remplissent la condition de résonance suivante: Q _Q_ c> O 4 a o: Q=Re _ 2 __ 2 __ ou-_u 2-(__ 2-k 2) e ( 2 h- a)u k 22 _ k 2fu u 2-(k 22-k 12)e du Q' e C-( 2 h-a)u Q' Re f du u u+ Fu 2-(k 22-k 12)

o Re est la partie réelle, k 12 = 622 e 1 Lî, k 22 =C 2 e 2 g 2 -

i a 292, k est le nombre d'ondes, a, e, gi sont respectivement la

conductivité, la constante diélectrique et la perméabilité ma-

gnétique, W = 2 Tf est la pulsation, N 2 = k 22/k 12, h et a sont respectivement la hauteur et le rayon du fil métallique, c =c 2/ ccc est l'épaisseur de peau du fil métallique, L 1 = 2 = go, et les indices 1 et 2 désignent respectivement le milieu 1 (diélectrique) et le milieu 2 (embase ou sol), et les indices c, 1 et 2 désignent respectivement le conducteur constitué par un fil métallique, le milieu 1 (environnement diélectrique) et

le milieu 2 (embase ou sol), et les deux extrémités du conduc-

teur constitué par un fil métallique disposé au-dessus de

l'embase ou du sol sont reliées à celle-ci ou celui-ci sans ré-

flexions. 2 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que

lesdits moyens formant embase ( 2) sont une embase en semicon-

ducteur. 3 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens formant embase ( 2) sont une embase en matériau

diélectrique à pertes.

4 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que

lesdits moyens formant embase ( 2) sont une mince membrane col-

lée sur la surface d'un aéronef.

Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que

lesdits moyens formant embase ( 2) sont la Terre.

6 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que

lesdits moyens formant embase ( 2) sont un océan.

7 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit conducteur en fil métallique ( 1) est composé d'un fil unique.

8 Antenne selonla revendication 1, caractérisée en ce que le-

dit conducteur en fil métallique ( 1) est composé d'un groupe-

ment de fils métalliques.

9 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit conducteur en fil métallique est constitué d'un métal à

grande conductibilité tel que le cuivre.

Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce

qu'elle comprend en outre un bloc parallélépipédique de diélec-

trique à grande constante diélectrique ( 6) placé sur ladite em-

base ( 2), avec le conducteur en fil ( 1) noyé dans celui-ci.

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11 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce

qu'elle comporte une boîte ( 8) délimitée par des parois diélec-

triques minces et remplie d'une huile à faible conductivité, l'embase ( 2) et le conducteur en fil métallique ( 1) baignant

dans l'huile.