FR2853457A1

FR2853457A1 - Dispositif d'antenne utilisant des fils radiaux, resonnants, sureleves

Info

Publication number: FR2853457A1
Application number: FR0403513A
Authority: FR
Inventors: Geoffray Norman Mendenhall
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2004-10-08
Anticipated expiration: 2024-04-02
Also published as: US6873300B2; CA2462721C; US20050057425A1; FR2853457B1; US20040196206A1; US7084824B2; CA2462721A1

Abstract

Un dispositif d'antenne (10) est présenté comprenant un pylône (M) rayonnant conducteur électriquement qui s'étend d'une façon généralement verticale par rapport au sol (G). Le pylône possède une extrémité inférieure pour recevoir de l'énergie RF pour des rayonnements de ce fait à une fréquence RF d'exploitation et une extrémité supérieure. Une pluralité de N fils radiaux (R1-R4), conducteurs électriquement, est prévue avec chacun ayant une extrémité intérieure et une extrémité extérieure. Les extrémités intérieures des fils radiaux sont branchées électriquement ensemble et situées à proximité du pylône vertical. Les fils radiaux sont surélevés sur toutes leurs longueurs par rapport au niveau du sol (G) et s'étendent radialement vers l'extérieur depuis le pylône vertical. Un appareil de réglage (TU), comme un inducteur ajustable, est branché aux fils radiaux pour ajuster l'impédance de cela afin que les fils radiaux résonnent à la fréquence d'exploitation.

Description

DISPOSITIF D'ANTENNE UTILISANT DES FILS RADIAUX, RESONNANTS, SURELEVES

La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'antenne de radiodiffusion RF et, plus particulièrement, un tel dispositif prévu pour la radiodiffusion d'onde moyenne utilisant un élément 5 rayonnant orienté verticalement en forme de pylône, conjointement avec une pluralité de fils radiaux, résonnants, surélevés.

Les dispositifs d'antenne utilisant un élément rayonnant vertical conjointement avec des fils radiaux 10 sont connus dans l'art. Celui-ci, par exemple, comprend un article intitulé " Ground Systems As a Factor In Antenna Efficiency " par G.H. Brown, R.F. Lewis et J. Epstein dans les Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Volume 25, N0 6, Juin 1937. Un tel système 15 avec des fils radiaux surélevés est décrit dans un article intitulé " AM Broadcast Antennas With Elevated Radial Ground Systems " par A. Christmann et R. Radcliff au 0018-9316/88/0300-0075$01. 00, droit de copie 1988 IEEE, note pages 75-77.

Il doit être noté que les publications ci-dessus ne décrivent pas que les fils radiaux sont accordés pour résonner à la fréquence d'exploitation de l'élément rayonnant vertical. En outre, il doit être noté que les éléments rayonnants verticaux dans ces publications ne 25 sont pas pourvus de fils d'antenne de charge au sommet.

De même, ils ne décrivent pas que de tels fils de charge au sommet soient prévus en combinaison directement audessus des fils radiaux résonnants surélevés.

La présente invention envisage la fourniture d'un dispositif d'antenne d'onde moyenne construit pour être plus petit et plus léger qu'une antenne quart d'onde de taille normale et, qui en tant que telle, peut être 5 transportable. Le dispositif a la capacité de générer des intensités à l'infini (Région de Fraunhofer) de l'ordre de 70 % d'une antenne de taille normale avec une conductivité de sol normale de 4-8 milliohms par mètre dans une plage de fréquence d'exploitation allant de 10 1 200 à 1 700 kilohertz. Ceci est obtenu en construisant une antenne conformément à la présente invention dans laquelle le rendement de l'antenne est maximisé en diminuant énormément les pertes de résistance au sol comparé aux types d'antenne conventionnels. Par exemple, 15 dans un modèle, les fils chargés au sommet sont placés directement au-dessus des fils radiaux résonnants de sorte que pratiquement toutes les lignes de champs électriques soient efficacement capturées.

En outre, la présente invention envisage un 20 dispositif d'antenne compact ayant une radiorésistance plus faible qu'un dispositif d'antenne d'un quart d'onde de taille normale qui aboutit à une diminution de la résistance de perte au sol plus importante qu'avec une antenne de taille normale. Les pertes au sol sont 25 diminuées et un rendement élevé est obtenu en surélevant les fils radiaux au-dessus de la surface du sol directement sous les fils de charge au sommet et en faisant résonner électriquement les fils radiaux avec un inducteur en série. Il a été trouvé en travaillant sur 30 cette invention que jusqu'à 95 % de l'écoulement du courant RF dans l'élément rayonnant vertical peut être capturé par un dispositif radial résonnant au lieu d'être dissipé dans la résistance du sol.

Conformément à un aspect de la présente invention, il est prévu un pylône rayonnant conducteur 5 électriquement qui s'étend d'une façon généralement verticale par rapport au niveau du sol et dans lequel le pylône vertical possède une extrémité inférieure (basse) afin de recevoir de l'énergie RF pour les rayonnements de ce fait à une fréquence RF d'exploitation et une 10 extrémité haute. Une pluralité de N fils électriquement conducteurs radiaux est prévue ayant chacun une extrémité intérieure et une extrémité extérieure. Les extrémités intérieures des fils radiaux sont branchées électriquement ensemble et sont situées à proximité du 15 pylône vertical. Un appareil de réglage, comme un inducteur ajustable, accorde (règle) les fils radiaux pour résonner à la fréquence d'exploitation.

Conformément à un autre aspect de la présente invention, un dispositif d'antenne est prévu comprenant 20 un pylône d'émission conducteur électriquement qui s'étend généralement dans une direction verticale par rapport au niveau du sol et possède une extrémité inférieure (basse) afin de recevoir de l'énergie RF pour des radiations de ce fait et une extrémité haute. Une 25 pluralité de N fils conducteurs électriquement de charge au sommet s'étendant radialement ont leurs extrémités intérieures branchées aux extrémités intérieures des autres éléments de charge et au pylône. Les éléments de charge au sommet ont chacun une extrémité distante qui 30 est isolée électriquement au moyen d'un isolateur électrique mais raccordée mécaniquement à une extrémité d'un câble de guidage qui s'étend de là et est ancrée dans le sol.

Les précédents et autres objets et avantages de l'invention vont devenir évidents plus facilement avec la 5 description suivante faite conjointement avec les dessins d'accompagnement, dans lesquels: La figure 1 est une vue isométrique d'un dispositif d'antenne incorporant la présente invention; La figure 2 est une vue en perspective d'une unité 10 de réglage d'antenne qui soutient le pylône d'antenne et contient divers éléments de réglage; et La figure 3 est un plan de circuit schématique électrique du circuit utilisé dans l'unité de réglage de l'antenne.

Une référence est faite maintenant à la figure 1 qui illustre le dispositif d'antenne 10 construit conformément à la présente invention. La suite est une brève description générale de l'antenne comme indiquée sur la figure 1. Cette description sera suivie par une 20 description de la théorie concernée par l'exploitation de l'antenne et celle ci, à son tour, sera suivie par une description détaillée des caractéristiques structurelles et électriques de l'antenne.

Comme indiqué sur la figure 1, le dispositif 25 d'antenne 10 comprend un pylône M électriquement conducteur, à extension verticale qui s'étend vers le haut à partir d'une unité de réglage TU (décrite plus précisément ci-après). Le pylône se termine par une extrémité supérieure d'o s'étendent quatre fils de 30 charge au sommet s'étendant radialement TL1, TL2, TL3 et TL4. Quatre fils radiaux Rl, R2, R3 et R4 s'étendent radialement vers l'extérieur depuis le pylône et débordent de l'unité de réglage TU. Ces fils radiaux sont surélevés par rapport au niveau du sol G. Ayant brièvement décrit le dispositif, l'attention est maintenant dirigée vers les caractéristiques opérationnelles.

Les fils de charge au sommet, qui sont faits de matériaux conducteurs électriquement tels que du cuivre ou autres de ce genre, sont placés directement au-dessus des fils radiaux. Les fils radiaux sont accordés par le 10 circuit à l'intérieur de l'unité de réglage TU afin qu'ils résonnent à une fréquence correspondant à la fréquence d'exploitation de l'élément rayonnant ou pylône M. Celui-ci capture autant de champ que possible pour minimiser la partie du champ électrique retournée à 15 travers le sol G de plus grande résistance (terre). Une antenne de radiodiffusion de taille normale de cette nature telle que celle décrite dans l'article de G. H. Brown et al. noté plus haut, utilise 120 fils radiaux enterrés juste sous la surface du sol pour obtenir des 20 pertes de résistance du sol faibles. L'utilisation de fils radiaux résonnants surélevés comme indiquée sur la figure 1 ci-incluse, est destinée à réduire les pertes de résistance du sol avec des fils radiaux beaucoup moins nombreux et plus courts que ceux employés par une antenne 25 d'onde moyenne de taille normale comme celle décrite dans le susdit article.

Cette antenne possède une fréquence d'exploitation dans une plage allant approximativement de 1 197 KHz à approximativement 1 710 KHz avec la performance maximisée 30 vers la partie supérieure de cette plage de fréquence.

La radiorésistance de cette antenne est environ le 1/3 de celle d'un élément rayonnant 1/4 d'onde afin de minimiser la résistance du sol et ceci est obtenu grâce à la structure décrite ci- incluse.

Le pylône M est de préférence un pylône télescopique de sorte qu'il puisse être étendu à une hauteur de 5 l'ordre de 15,24 m (50 pieds) au- dessus du niveau du sol G. Le pylône est chargé au sommet avec les fils de charge au sommet s'étendant radialement TLl-TL4, qui ont chacun une longueur d'environ 15,24 m (50 pieds) et sont 10 fabriqués avec un matériau conducteur électriquement. Les fils de charge au sommet sont situés directement audessus des fils radiaux. Par exemple, le fil de charge au sommet TL1 est en registre et directement au-dessus du fil radial Ri de sorte qu'ils définissent un plan 15 vertical commun avec le pylône M. Comme vu ci-dessus, les fils de charge au sommet sont espacés entre eux par environ 90 . Cette charge au sommet représente une capacitance pour les fils radiaux qui abaisse la fréquence de résonance propre de l'élément rayonnant 20 vertical. Comme il sera discuté ci-après, l'unité de réglage TU comprend des moyens pour effectuer des réglages complémentaires et des couplages d'impédance.

Les fils radiaux Rl, R2, R3 et R4 peuvent avoir chacun une longueur de l'ordre de trois fois la hauteur 25 du pylône M. Ainsi, les fils radiaux peuvent s'étendre sur une distance de l'ordre de 44,19 m (145 pieds) à 45, 72 m (150 pieds), par exemple. Ceci met les fils radiaux en résonance propre juste au-dessus de la fréquence d'exploitation la plus élevée de l'antenne.

Les fils radiaux Rl-R4 sont accordés afin de résonner approximativement à la fréquence d'exploitation du pylône M. Les extrémités éloignées des fils radiaux sont chacune branchées à un isolateur. Les fils radiaux sont surélevés d'environ 3,05 m (10 pieds) au-dessus du niveau du sol G à leurs extrémités distantes. Les extrémités rapprochées sont isolées du sol et s'étendent 5 dans l'unité de réglage TU et, comme il sera décrit plus précisément ci-après, sont branchées ensemble et de là à un inducteur de réglage ajustable qui est branché en série avec un transformateur d'échantillonnage de courant RF vers le circuit de terre. L'inducteur variable permet 10 aux fils radiaux d'être " accordés en série " pour résonner à une fréquence correspondant à la fréquence d'exploitation du pylône M. De plus, un transformateur d'échantillonnage de courant identique est placé en série avec le pylône rayonnant vertical, de sorte que le ratio 15 du courant dans l'élément rayonnant vertical puisse être directement comparé avec le courant renvoyé par les fils radiaux. On croit que plus de 80% de courant de l'élément rayonnant vertical sera capturé et renvoyé avec une faible perte par les fils radiaux surélevés résonnants.

La faible radiorésistance du pylône rayonnant vertical M est convertie jusqu'à approximativement 50 ohms pour coupler la ligne de transmission coaxiale de 50 ohms qui s'étend (Fig. 2) du dispositif d'antenne jusque dans un transmetteur. Ce couplage est obtenu par un inducteur 25 ajustable en série avec le pylône rayonnant vertical pour amener la fréquence de résonance de l'antenne juste audessus de la fréquence d'exploitation de sorte que la réactance capacitive en série restante soit égale à la valeur requise pour convertir la radiorésistance jusqu'à 30 50 ohms à travers la réactance inductive de la dérivation adéquate requise pour annuler la réactance capacitive et achever la conversion de l'impédance.

Une référence est maintenant faite à la figure 1 conjointement avec les figures 2 et 3 avec une 5 description plus spécifique des aspects structurels du mode de réalisation illustré.

Les fils radiaux R1-R4 s'étendent depuis l'unité de réglage TU jusqu'à des isolateurs adéquats 40, 42, 44 et 46 et de là aux poteaux de montage respectifs Pi, P2, P3 10 et P4. Ces poteaux peuvent être fabriqués à partir de matériaux isolants électriquement adéquats. Ces poteaux s'étendent depuis le niveau du sol G vers le haut jusqu'à une longueur d'environ 3,05 m (10 pieds) et sont convenablement fixés au sol pour fournir un support. Les 15 extrémités intérieures des fils radiaux s'étendent à travers des isolateurs Il, I2, I3 et I4 situés dans les parois respectives de l'unité de réglage TU. Ces fils s'étendent intérieurement et sont branchés à la fois en commun et de là à travers un inducteur en série ajustable 20 Ll jusqu'au sol. L'inducteur Ll est utilisé pour régler les fils radiaux afin qu'ils résonnent à une fréquence correspondant à la fréquence d'exploitation du pylône rayonnant vertical M. L'inducteur Ll est réglé par un bras de réglage adéquat, classique dans l'art. Le 25 conducteur s'étend alors à travers un transformateur d'échantillonnage de courant radial Tl vers le circuit de terre.

L'extrémité inférieure du pylône vertical est soutenue par un support isolant électriquement en forme 30 de U renversé 20 qui est convenablement fixé au plafond de l'unité de réglage TU. L'unité de réglage comprend une boite de métal possédant des parois, un fond et un toit.

Le pylône M peut être fixé au support isolant 20 comme avec un attachement mécanique adéquat (non présenté). Le pylône est branché électriquement à un conducteur qui s'étend à travers un isolateur 22 qui s'étend à travers 5 le support 20 et le toit de l'unité de réglage TU. Le conducteur s'étend jusqu'à une extrémité d'un inducteur ajustable L2 qui sert à régler l'écoulement du courant au travers et à aider pour fournir un couplage d'impédance avec la ligne de transmission coaxiale de 50 ohms TL. Cet 10 inducteur peut être réglé pour amener la fréquence de l'antenne à une valeur juste au-dessus de la fréquence d'exploitation afin que la réactance capacitive en série restante soit égale à la valeur requise pour convertir la radiorésistance jusqu'à 50 ohms à travers la réactance 15 inductive du shunt adéquat requise pour annuler la réactance capacitive et achever la conversion de l'impédance. Un échantillon de courant de série indicateur de la magnitude de l'écoulement du courant dans ce circuit en série peut être obtenu à partir d'un 20 transformateur de courant T2 branché en série avec un inducteur L2. Un inducteur de dérivation ajustable L3 possède une extrémité de cela branchée à la jonction de l'inducteur L2 et du câble coaxial TL et l'autre extrémité branchée au circuit de terre (par branchement, 25 par exemple, au fond du logement de l'unité de réglage).

Un échantillon de courant de série utile pour déterminer la puissance réfléchie est obtenu à partir d'un transformateur de courant T3.

Les fils de charge au sommet TLl-TL4 peuvent avoir 30 chacun une longueur de l'ordre de 13,72 à 15,24 m (45-50 pieds) avec les extrémités distantes de chaque fil se terminant par un branchement à un isolateur et puis s'étendant par un hauban non conducteur, comme une corde de nylon, vers l'un des poteaux Pl-P4. Par conséquent, le fil de charge au sommet TL1 est branché à son extrémité distante à un isolateur adéquat 50 qui est, à son tour, 5 branché à un hauban GL1. De la même façon, le fil de charge au sommet TL2 se termine dans un isolateur 52 qui est branché à l'extrémité supérieure du poteau P2 au moyen d'un hauban GL2, identique à celui du hauban GL1.

De même, le fil de charge au sommet TL3 se termine à son 10 extrémité distante par un isolateur 54 et, de là à un poteau P3 au moyen d'un hauban GL3, identique aux haubans GL1 et GL2. Egalement, le fil de charge au sommet TL4 a son extrémité distante se terminant avec un isolateur 56 qui est branchée à l'extrémité supérieure d'un poteau P4 15 au moyen d'un hauban GL4 et qui est identique aux haubans GL1-GL3. Ces haubans GL1 à GL4 ont chacun une longueur d'environ 30,48 m (100 pieds).

Le circuit employé à l'intérieur de l'unité de réglage TU est illustré sur la figure 2 et sur le circuit 20 schématique de la figure 3. Le circuit comprend un multimètre MT, à la fois avec un commutateur à trois positions Sw possédant les positions 1, 2, 3, 4 et 5.

Quand le commutateur est en position 3, le multimètre MT indiquera la puissance envoyée relative émise par le transmetteur dans l'antenne. Quand le commutateur est en position 4, le multimètre MT fournira une indication de la puissance réfléchie relative par l'antenne dans le transmetteur. La puissance réfléchie devrait toujours être minimisée. Quand le commutateur est en position 2, 30 le multimètre MT indique le courant relatif reçu par les fils radiaux depuis l'élément rayonnant vertical et renvoyé au réseau de couplage. Le courant radial est il normalement égal à 85-95% du courant d'antenne de l'élément rayonnant vertical. En position 5, le multimètre indique le courant de l'antenne.

A partir de la description ci-dessus de l'invention, 5 ceux qualifiés dans cet art percevront les améliorations, les changements et les modifications dans l'invention.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et 10 d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'antenne (10) caractérisé en ce qu'il comprend: un pylône rayonnant (M) conducteur électriquement qui s'étend d'une façon généralement verticale 5 relativement au sol, ledit pylône ayant une extrémité inférieure pour recevoir de l'énergie RF pour des rayonnements de ce fait à une fréquence RF d'exploitation et une extrémité supérieure; une pluralité de N fils radiaux (Rl-R4), conducteurs 10 électriquement, ayant chacun une extrémité intérieure et une extrémité extérieure, les extrémités intérieures desdits fils radiaux étant branchées électriquement ensemble et situées à proximité dudit pylône vertical, lesdits fils radiaux étant surélevés sur toutes leurs 15 longueurs par rapport au niveau du sol et s'étendant radialement vers l'extérieur depuis ledit pylône vertical; et un appareil de réglage (TU) qui accorde lesdits fils radiaux pour résonner à la fréquence d'exploitation. 20

2. Dispositif d'antenne (10) selon la revendication 1 dans lequel ledit appareil de réglage comprend un inducteur ajustable (Ll).

3. Dispositif d'antenne (10) selon la revendication 2 dans lequel ledit inducteur (Ll) est branché dans un circuit en série avec lesdits fils radiaux (Rl-R4).

4. Dispositif d'antenne (10) selon l'une des 30 revendications 1 à 3 comprenant une pluralité de fils de * 2853457 charge au sommet (TLl-TL4) s'étendant radialement vers l'extérieur depuis l'extrémité supérieure dudit pylône de l'antenne (M).

5. Dispositif d'antenne (10) selon la revendication 4 dans lequel il existe N dits fils de charge (TLI-TL4).

6. Dispositif d'antenne (10) selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel chaque dit fils de 10 charge (TLI-TL4) est directement au-dessus et en registre avec un desdits fils radiaux (Rl-R4).

7. Dispositif d'antenne (10) selon l'une des revendications 4 à 6 dans lequel chaque dit fils de 15 charge est branché à une extrémité d'un hauban (GL1-GL4), fait d'un matériau isolant, ayant une autre extrémité fixée à un moyen pour la fixation du même au sol (G).

8. Dispositif d'antenne (10) caractérisé en ce qu'il 20 comprend: un pylône rayonnant vertical (M) d'un matériau conducteur électriquement qui s'étend généralement dans une direction verticale par rapport au sol (G), ledit pylône ayant une extrémité inférieure pour recevoir de 25 l'énergie RF pour des rayonnements de ce fait à une fréquence RF d'exploitation et ayant une extrémité supérieure; une pluralité de N fils conducteurs électriquement de charge au sommet (TL1-TL4) s'étendant radialement, 30 chacun ayant une extrémité intérieure et une extrémité extérieure avec lesdites extrémités intérieures étant branchées électriquement ensemble et situées à proximité dudit pylône (M) et s'étendant radialement de là vers l'extérieur, l'extrémité extérieure de chaque dit fils de charge au sommet étant branchée à une extrémité d'un hauban (GL1-GL4) au moyen d'un isolateur électrique 5 (40,42,44,46) avec ledit hauban s'étendant à une extrémité distante qui est ancrée au sol (G).

9. Dispositif d'antenne (10) selon la revendication 8 comprenant une pluralité de N fils radiaux (Rl-R4), 10 conducteurs électriquement ayant chacun une extrémité intérieure et une extrémité extérieure, les extrémités intérieures desdits fils radiaux étant branchées électriquement ensemble et situées à proximité dudit pylône vertical (M), lesdits fils radiaux étant surélevés 15 sur toutes leurs longueurs par rapport au niveau du sol (G) et s'étendant radialement vers l'extérieur depuis ledit pylône vertical; et un appareil de réglage (TU) qui accorde lesdits fils radiaux (R1-R4) pour résonner à la fréquence 20 d'exploitation.

10. Dispositif d'antenne (10) selon l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel chaque dit fils de charge (TLl-TL4) est directement au-dessus et est situé 25 dans le même plan qu'un desdits fils radiaux (R1-R4).

11. Dispositif d'antenne (10) selon l'une des revendications 9 ou 10, dans lequel ledit appareil de réglage comprend un inducteur ajustable (Li) . 30

12. Dispositif d'antenne (10) selon la revendication 11 dans lequel ledit inducteur (Ll) est branché dans un circuit en série avec lesdits fils radiaux (R1-R4).