FR2910727A1

FR2910727A1 - Reseau d'antennes a onde de sol progressive kilometrique ou hectometrique

Info

Publication number: FR2910727A1
Application number: FR0655838A
Authority: FR
Inventors: Philippe Piole
Original assignee: Telediffusion de France ets Public de Diffusion
Current assignee: Telediffusion de France ets Public de Diffusion
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-06-27
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: WO2008081125A1; EP2092597A1; FR2910727B1

Abstract

Chaque antenne à onde de sol du réseau comprend un plan de masse (PM1, PM2) enfoui sensiblement horizontalement à proximité et sous la surface du sol (S) et une ligne d'excitation métallique (LE1, LE2) s'étendant sensiblement rectilignement et parallèlement au-dessus du plan de masse et à au moins à 1 m environ du sol pour rayonner des ondes de sol hectométriques ou kilométriques. Le réseau comprend au moins un moyen d'interconnexion (LR) reliant des première et deuxième antennes consécutives du réseau pour alimenter la deuxième antenne avec une puissance non rayonnée par la première antenne représentant environ 90% de la puissance fournie à la première antenne. Chaque antenne est adaptée à son impédance caractéristique pour rayonner des ondes progressives. Une ligne de retour souterraine inverseuse de phase (LR) peut remettre en phase les ondes propagées par deux antennes consécutives.

Description

1 Réseau d'antennes à onde de sol progressive kilométrique ou

hectométrique La présente invention concerne un réseau d'antennes notamment pour émettre en ondes progressives kilométriques ou hectométriques dans une bande de fréquence faible ou moyenne comprise entre 10 kHz environ et 3 MHz environ, par exemple pour la diffusion de programme radiophonique numérique.

Actuellement, des pylônes rayonnants de très grande hauteur de l'ordre de 50 à 350 mètres sont bien souvent installés loin des villes pour émettre des signaux dans la bande des ondes hectométriques avec une puissance d'émission relativement élevée. Si l'on souhaite installer un pylône rayonnant à proximité d'une agglomération ou en ville, un important périmètre de sécurité doit être disponible pour dresser le pylône rayonnant et installer le réseau de terre filaire associé au pylône et placé sur le sol ou à une faible profondeur dans le sol. Toutefois, l'avenir des grands pylônes rayonnants à proximité des villes ou dans celles-ci est compromis pour des raisons de compatibilité électromagnétique. Les couplages entre la partie érigée du pylône et les diverses structures métalliques pouvant être situées à proximité du pylône, telles que des armatures métalliques dans des bâtiments, des réverbères métalliques et des pylônes de lignes de transport d'énergie électrique constituent des sources de courant induits, difficilement maîtrisables lors de l'installation de pylônes. Outre l'aspect inesthétique des grands pylônes rayonnants, le contexte d'exposition du public au 2910727 2 champ électromagnétique émis par les grands pylônes rayonnants nécessite d'obtenir un terrain relativement vaste pour l'emplacement de chaque pylône. Tous ces inconvénients sont autant 5 d'obstacles à l'installation d'un pylône rayonnant en zone urbaine. Par conséquent, puisqu'un grand pylône rayonnant est visible de loin, et donc ne s'intègre pas dans le paysage urbain et génère essentiellement un champ 10 d'onde d'espace qui est une source de couplage avec les édifices et bâtiments érigés dans sa proximité, la plupart des pylônes rayonnants sont installés en dehors des agglomérations. Un pylône diffusant des programmes radiophoniques est ainsi installé en 15 dehors d'une ville, et donc très éloigné des récepteurs des auditeurs, ce qui l'empêche d'être efficace avec des petites puissances d'émission. Selon le brevet français 2 870 047, une antenne à onde de sol sensiblement kilométrique ou 20 hectométrique souffre d'une bande passante d'autant plus faible que la fréquence d'utilisation est basse. L'antenne comprend une seule boucle d'excitation métallique, est alimentée par un unique émetteur et n'autorise pas le multiplexage de plusieurs 25 programmes, ni la diffusion de programmes sur plusieurs fréquences. L'antenne est en outre omnidirective comme le pylône et a un champ d'application restreint à la diffusion locale à proximité ou dans une ville en ondes longues ou 30 moyennes. La présente invention a pour objectif de fournir un réseau d'antennes à onde de sol qui est destiné à rayonner en ondes progressives sensiblement 35 kilométriques ou hectométriques, qui n'offre pas les 2910727 3 contraintes précédentes, en particulier qui est quasiment invisible depuis son environnement immédiat et s'intègre bien dans le paysage et qui favorise la propagation d'une onde de sol suivant une direction 5 privilégiée et avec une large bande passante. Pour atteindre cet objectif, un réseau d'antennes à onde de sol comprenant chacune un plan de masse enfoui sensiblement horizontalement à 10 proximité et sous la surface du sol et une ligne d'excitation métallique s'étendant sensiblement rectilignement et parallèlement au-dessus du plan de masse et du sol pour rayonner des ondes de sol, est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un moyen 15 d'interconnexion reliant des première et deuxième antennes consécutives du réseau pour alimenter la deuxième antenne avec une puissance non rayonnée par la première antenne. Pour tout couple d'antennes consécutives du 20 réseau selon l'invention, la puissance non rayonnée en onde de sol typiquement hectométrique ou kilométrique par la première antenne du couple représente environ 90% de la puissance fournie à la première antenne et alimente la deuxième antenne du 25 couple, de sorte que la puissance fournie initialement au réseau est utilisée au maximum selon le nombre d'antennes du réseau et la puissance perdue dans une charge terminale du réseau est minimale. Par ailleurs, la discontinuité entre l'air et le 30 sol, située sur et dans le sol à la périphérie de chaque antenne, entre le couple sol et plan de masse métallique, d'une part, et le sol sans le plan de masse métallique, d'autre part, favorise uniquement la propagation d'une onde de sol directive en 35 polarisation verticale. L'onde de sol est due à 2910727 4 l'injection de courants élevés dans le sol sans aucun rayonnement latéral d'une onde d'espace comparativement à une antenne pylône, l'antenne exploitant un mode de rayonnement magnétique et non 5 électrique pour des ondes sensiblement kilométriques ou hectométriques. Contrairement à des émissions en modulation de fréquence, l'onde de sol, et non une onde d'espace, transporte un signal utile numérique ou analogique vers des récepteurs. La quasi-absence 10 de composante d'onde d'espace au-dessus de la surface du sol résout avantageusement des problèmes de compatibilité électromagnétique et d'exposition des personnes, et de couplages de l'antenne avec des structures proches de l'antenne au-dessus du sol. 15 Grâce au plan de masse enfoui dans le sol à quelques dizaines de centimètres et à la ligne d'excitation suspendue à une hauteur supérieure à un mètre environ au-dessus du sol pour chaque antenne de sol, le réseau d'antennes à onde de sol selon 20 l'invention est très discret et ainsi insensible à tout vent violent, souffle, foudre, séisme ou explosion. En outre, le réseau d'antennes à onde de sol ne présente quasiment pas de surface écho radar (SER). 25 Les différentes antennes du réseau peuvent s'étendre dans des directions différentes de manière à émettre vers des cibles privilégiées tout en respectant des contraintes administratives liées aux diagrammes de rayonnement et puissances apparentes 30 rayonnées dans certaines zones sensibles ou près des frontières. Avantageusement, chaque antenne du réseau a une impédance terminale égale à son impédance caractéristique de manière à rayonner des ondes 35 progressives, ce qui confère une large bande passante 2910727 5 à l'antenne. Par ailleurs, plus le nombre d'antennes du réseau est élevé, plus la bande passante du réseau est large. Le réseau peut ainsi avoir une très large bande 5 passante, même aux fréquences basses, permettant la diffusion numérique et le multiplexage de plusieurs programmes depuis l'unique site du réseau. Le réseau peut ouvrir la voie à la diffusion numérique sur les ondes kilométriques bénéficiant d'une excellente 10 propagation en zones rurales et urbaines. Le réseau peut comprendre également une charge terminale entre une extrémité de la ligne d'excitation d'une antenne du réseau et le plan de masse associé à cette antenne, la charge terminale 15 ayant une impédance égale à l'impédance caractéristique de la ligne d'excitation, et l'autre extrémité de ladite ligne d'excitation étant reliée à une autre ligne d'excitation d'une autre antenne du réseau par un moyen d'interconnexion. 20 Le réseau peut comprendre également au moins un moyen pour remettre en phase des ondes rayonnées par deux antennes consécutives et reliées entre elles. Cette remise en phase permet de sommer les 25 rayonnements des deux antennes et d'améliorer la directivité ainsi que le gain du réseau notamment lorsque les antennes s'étendent dans la même direction. Le moyen d'interconnexion peut ainsi comprendre 30 une ligne de retour souterraine ou un transformateur et le moyen pour remettre en phase peuvent comprendre une ligne de retour souterraine inverseuse de phase ou un transformateur inverseur de phase. Le moyen d'interconnexion et le moyen pour remettre en phase 35 peuvent être en partie confondus. 2910727 6 Selon une autre caractéristique de l'invention, la ligne d'excitation de chaque antenne a une longueur dans un rapport avec la longueur d'onde 5 rayonnée par la ligne d'excitation compris entre 45/100 environ et 65/100 environ, longueur de ligne d'excitation pour laquelle la directivité et l'efficacité de l'antenne sont maximales. La ligne d'excitation de chaque antenne a en outre une 10 impédance caractéristique comprise entre 200 Q environ et 500 S2 environ, ce qui limite l'intensité du courant et les pertes ohmiques pour une fréquence donnée et autorise un fonctionnement avec une puissance élevée, par exemple supérieure à 100 kW 15 environ. Selon une autre caractéristique de l'invention, le réseau peut comprendre au moins un moyen d'alimentation en puissance ayant des bornes reliées 20 respectivement à la ligne d'excitation et au plan de masse d'une antenne du réseau et apte à fournir une puissance supérieure à 100 kW environ. Le réseau peut comprendre des antennes ayant des longueurs différentes et plusieurs moyens 25 d'alimentation pour fournir des signaux dans des bandes de fréquence différentes afin de diffuser ces signaux respectivement par les antennes de longueurs différentes et adaptées auxdites bandes de fréquence. 30 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations de l'invention données à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins 35 annexés correspondants dans lesquels : 2910727 7 - la figure 1 est une vue de face verticale schématique montrant partiellement une première antenne et une dernière antenne d'un réseau selon l'invention ; 5 - la figure 2 est une vue de face verticale schématique d'un réseau comprenant deux antennes reliées entre elles selon une première réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue de face verticale 10 schématique d'un réseau comprenant deux antennes reliées entre elles selon une deuxième réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue de face verticale schématique illustrant la puissance rayonnée par 15 chacune des antennes d'un réseau reliées entre elles deux par deux ; - la figure 5 montre schématiquement des composantes de champ électrique dans une ligne équivalente à une antenne selon l'invention ; et 20 - la figure 6 est un schéma analogue à la figure 1 pour adapter la connexion d'un émetteur à une antenne en fonction de l'impédance caractéristique de l'émetteur. 25 Le réseau d'antennes selon l'invention comprend au moins deux antennes à onde de sol. Les antennes du réseau sont reliées les unes aux autres consécutivement deux par deux. Le réseau d'antennes comprend en outre au moins un moyen d'interconnexion 30 entre deux antennes consécutives. Plus précisément, le nombre des antennes du réseau excède de un le nombre des moyens d'interconnexion du réseau. 2910727 8 Des éléments communs à chacune des antennes à onde de sol du réseau sont décrits par la suite en référence à la figure 1. Une antenne à onde de sol selon l'invention 5 rayonnant avec une longueur d'onde utile À, d'émission ou de réception, sensiblement kilométrique ou sensiblement hectométrique comprend essentiellement un plan de masse métallique PM sensiblement horizontal et une ligne d'excitation 10 métallique LE sensiblement horizontale. Le plan de masse PM est enfoui à proximité et sous la surface du sol S à une épaisseur de terre e de quelques dizaines de centimètres, typiquement 50 cm environ sous la surface du sol. Par exemple, le 15 plan de masse est recouvert de terre, y compris de tout arrangement décoratif comme une pelouse ou un parterre de végétaux. Le plan de masse s'étend horizontalement dans une direction sensiblement parallèle à celle de la ligne d'excitation LE et 20 présente une largueur de l'ordre de 1 m pour une longueur sensiblement égale à celle de la ligne d'excitation. Ainsi, le plan de masse occupe une surface au sol de quelques dizaines de mètres carrés à quelques centaines de mètres carrés. Le contour du 25 plan de masse peut être rectangulaire ou sensiblement polygonal régulier, de manière à former par exemple une bande horizontale parallèle à la ligne d'excitation LE. Le plan de masse PM est métallique et doit 30 assurer une excellente continuité électrique entre les éléments qui le composent afin qu'il contribue au caractère directionnel de l'antenne, être de construction aisée et donc peu onéreuse, et être insensible aux attaques chimiques dans le milieu 35 naturel qu'est la terre. Selon un premier exemple, le 2910727 9 plan de masse est constitué de tôles soudées. Les tôles sont ancrées directement dans la terre et sont soudées ou liées par attaches métalliques les unes aux autres afin d'assurer une excellente continuité 5 électrique entre les tôles et la terre. Selon un deuxième exemple, le plan de masse est un treillis métallique. Le treillis est composé de fils de fer avec des mailles par exemple carrées ayant un côté petit par rapport à la longueur d'onde utile À, par 10 exemple compris entre À/20 environ et À/10 environ. Le treillis métallique peut être aussi formé au moins partiellement par des armatures noyées dans du béton, par exemple le béton armé d'une dalle ou de toute autre structure souterraine existante ou à 15 construire. Le plan de masse PM peut être en cuivre ou en aluminium, ou en un alliage ayant pour composant essentiel du cuivre ou de l'aluminium. La ligne d'excitation métallique LE s'étend 20 sensiblement horizontalement au-dessus de la surface du sol S à une hauteur h et au-dessus du plan de masse PM à une hauteur H. La hauteur H est en général comprise entre 1 m environ et 3 m environ et la hauteur h est déduite de H-e. Pour les longueurs 25 d'onde kilométriques et hectométriques, la ligne d'excitation LE a une longueur supérieure à 25 m environ. La ligne d'excitation et le plan de masse sont superposés de telle manière qu'ils soient centrés régulièrement sur un axe commun vertical. 30 L'enfouissement du plan de masse PM dans le sol S sousjacent à la ligne d'excitation LE légèrement au-dessus du sol rend l'antenne de sol quasiment invisible et discrète notamment en milieu urbain, comparativement à une antenne pylône. 2910727 10 La ligne d'excitation LE a une longueur LLE sensiblement de l'ordre d'une demi-longueur d'onde utile À/2 de l'antenne. La longueur LLE est en général comprise entre un rapport de 45/100 environ à 5 65/100 environ avec la longueur d'onde rayonnée par la ligne d'excitation, soit entre 0,45 À et 0,65 À, et de préférence égale à 0,57 À. La ligne d'excitation LE est par exemple soutenue dans un plan horizontal au-dessus du sol S à 10 la hauteur h par des poteaux isolants PI sensiblement verticaux qui sont régulièrement répartis le long de la ligne, par exemple tous les 4 m à 5 m. Chaque poteau PI est par exemple en bois ou en matière plastique. 15 La ligne d'excitation LE est réalisée de préférence en un tube métallique galvanisé de diamètre D compris entre 5 cm environ et 20 cm environ. Le tube est par exemple en acier, ou de préférence en un meilleur conducteur, par exemple en 20 cuivre ou en aluminium, ou en un alliage ayant pour composant prépondérant du cuivre ou de l'aluminium. En variante, la ligne d'excitation LE est constituée de plusieurs tubes superposés ou parallèles, distants de quelques dizaines de 25 centimètres afin de permettre une puissance plus élevée, une bande passante améliorée et une diminution des pertes. La ligne d'excitation LE peut être plus mince et réalisée sous la forme d'un fil métallique ou d'une nappe de fils métalliques, ce qui 30 conduit à diminuer la bande passante de l'antenne. Selon une autre variante, afin de permettre une puissance d'émission relativement élevée et diminuer les pertes électriques, la ligne d'excitation LE est sous la forme d'une cage de diamètre D composée de 35 plusieurs fils métalliques parallèles équirépartis 2910727 11 circulairement ayant un diamètre compris entre 6 mm environ et 12 mm environ. La cage constituant la ligne d'excitation LE comporte des anneaux métalliques soudés aux fils métalliques répartis 5 régulièrement sur sa longueur, par exemple tous les 5 m à 10 m, pour maintenir les fils métalliques parallèles et équidistants deux à deux et ainsi conserver la distribution équipotentielle en section circulaire dans la cage. A diamètres respectifs 10 identiques, les cages sont avantageusement plus légères que les tubes et l'ensemble des fils des cages est moins onéreux que les tubes. Les antennes dans le réseau sont reliées les 15 unes aux autres consécutivement par plusieurs moyens d'interconnexion. Une première antenne du réseau comprend, outre un plan de masse métallique et une ligne d'excitation métallique, au moins un moyen d'alimentation en puissance AP pour alimenter tout le 20 réseau d'antennes. Une dernière antenne du réseau comprend, outre un plan de masse métallique et une ligne d'excitation métallique, un élément de terminaison ET sensiblement vertical reliant la ligne d'excitation au plan de masse et comprenant une 25 charge terminale Zc. L'impédance de la charge terminale est égale à l'impédance caractéristique de la ligne d'excitation. Par conséquent, seules lesdites première et dernière antennes du réseau sont reliées chacune à une antenne, et les autres antennes 30 du réseau sont reliées chacune à deux antennes. Dans la figure 1, le moyen d'alimentation en puissance AP a des bornes filaires f1 et f2 reliées à la première antenne et l'élément de terminaison ET est relié à la dernière antenne partiellement 35 représentée. 2910727 12 Chaque antenne de sol du réseau ainsi décrite est sensiblement équivalente à une ligne demi-onde de grandes dimensions qui rayonne de manière directive une onde de sol de polarisation verticale dans un 5 rayon de quelques kilomètres à quelques dizaines de kilomètres en fonction de la puissance de quelques centaines de watts à quelques milliers de watts du moyen d'alimentation en puissance AP relié à la première antenne du réseau. 10 Le moyen d'alimentation en puissance AP comprend principalement un émetteur installé sur le sol, à proximité du plan de masse PM et de la ligne d'excitation LE, par exemple pour émettre des programmes de radiodiffusion à travers le réseau 15 d'antennes, et un câble d'alimentation. Comme montré schématiquement à la figure 1, deux fils f1 et f2 du câble d'alimentation relient des bornes négative et positive de l'émetteur respectivement au plan de masse PM et à une extrémité de la ligne d'excitation 20 LE. En outre, une impédance caractéristique de l'antenne de sol de l'ordre de 450 Q environ est compatible avec un amplificateur de type transformateur torique 1/9 en sortie de l'émetteur 25 dont l'impédance de sortie est faible de l'ordre de 50 Q environ. Selon une première réalisation montrée à la figure 2, le moyen d'interconnexion entre deux 30 antennes consécutives du réseau comprend une ligne de retour souterraine LR et des premier et deuxième éléments de raccordement métalliques ER1 et ER2 qui sont reliés respectivement à une première ligne d'excitation LEI d'une première antenne et à une 35 deuxième ligne d'excitation LE2 d'une deuxième 2910727 13 antenne. La ligne de retour LR s'étend sensiblement horizontalement dans un moyen de confinement des lignes de champs CLC au-dessous du plan de masse PM1 relatif à la première ligne d'excitation LEI. La 5 ligne de retour LR a la particularité d'être non rayonnante et d'avoir une impédance caractéristique égale à celle des lignes d'excitation. Le premier élément de raccordement ER1 a une extrémité supérieure ERls soudée à l'une des 10 extrémités de la première ligne d'excitation LEI, et une extrémité inférieure ERli soudée à l'une des extrémités de la ligne de retour LR qui est située à une distance a du plan de masse PM1 sous la surface du sol S. Par exemple, la hauteur du premier élément 15 de raccordement ER1 est de H + a = 2,9 m, et la première ligne d'excitation LEI est à une hauteur h = 2,5 m au-dessus du sol S. L'autre extrémité de la ligne de retour LR est soudée à une extrémité inférieure ER2i du deuxième 20 élément de raccordement ER2 dont l'extrémité supérieure ER2s est soudée à l'une des extrémités de la deuxième ligne d'excitation LE2. Les éléments de raccordement traversent le sol et la terre via un isolateur ISO, tel que de la 25 porcelaine, et peuvent être réalisés en un tube métallique galvanisé de diamètre d compris entre 5 cm environ et 20 cm environ. Dans un premier exemple, la ligne de retour LR 30 est placée dans le moyen de confinement des lignes de champs CLC qui est un caniveau sous-jacent au plan de masse PM. Le rayonnement parasite de la ligne de retour est alors maîtrisé puisque les lignes de champs issues de la ligne de retour sont confinées 35 vers le plan de masse. 2910727 14 Dans un deuxième exemple, la ligne de retour LR est enfermée dans le moyen de confinement des lignes de champs CLC qui est un caisson métallique dont la partie supérieure est constituée d'une partie du plan 5 de masse PM. Le rayonnement parasite de la ligne de retour est alors totalement éliminé puisque toutes les lignes de champs issues de la ligne de retour sont confinées dans le caisson métallique, ce qui n'engendre aucune excitation du sol et des lignes 10 voisines. La ligne de retour peut alors être une ligne coaxiale transportant une puissance élevée. Les éléments de raccordement ER1 et ER2, la ligne de retour LR et les lignes d'excitation LEI et LE2 peuvent être de même nature, tels que des tiges 15 tubulaires métalliques galvanisées ayant des diamètres de section transversale identiques, par exemple de 60 mm environ. Par exemple, les isolateurs ISO à travers lesquels les éléments de raccordement ER1 et ER2 20 traversent la terre sont attachés respectivement aux extrémités du moyen de confinement des lignes de champs CLC et traversent les plans de masse PM1 et PM2 via des petits trous ménagés à cet effet, le diamètre des isolateurs étant légèrement supérieur à 25 celui des éléments de raccordement. La figure 2 montre une configuration du réseau à seulement deux antennes qui rayonnent suivant des directions opposées. Les extrémités d'attaque par le courant des deux antennes peuvent être très proches. 30 Ce type de configuration du réseau peut être étendu à plus de deux antennes. Par exemple, les antennes du réseau sont disposées en étoile ou suivant un anneau ou un polygone de manière à rayonner suivant des directions respectives ce qui confère au réseau un 35 rayonnement sensiblement "omnidirectionnel". Selon 2910727 15 d'autres exemples, une direction principale de rayonnement d'onde de sol du réseau est définie le long d'un axe de sensible alignement des lignes d'excitation ou de sensible symétrie des lignes 5 d'excitation disposées côte à côte et sensiblement parallèles. Selon une deuxième réalisation montrée à la figure 3, le moyen d'interconnexion entre deux 10 antennes consécutives du réseau comprend un transformateur TRA dont les extrémités sont reliées à des première et deuxième lignes d'excitation LEI et LE2 des deux antennes consécutives via des lignes de transition de même nature que les lignes 15 d'excitation. Le transformateur TRA peut être situé au-dessus du sol S, ou bien enterré à proximité du sol. Dans ce dernier cas, le transformateur et les lignes de transition sont placés dans la terre à l'intérieur 20 d'isolateurs qui peuvent être en porcelaine. La figure 3 montre une configuration du réseau à seulement deux antennes qui rayonnent par exemple suivant la même direction. Dans cet exemple, les plans de masse PM1 et PM2 des deux antennes peuvent 25 ne constituer qu'un seul plan de masse. Ce type de configuration du réseau peut être étendu à plus de deux antennes pour obtenir une mise en série des antennes rectilignes du réseau afin d'obtenir un gain maximal dans la direction des antennes et assurer une 30 forte réduction du champ arrière des antennes. En outre, les antennes peuvent être mises en série pour obtenir un réseau en forme d'anneau et conférer une omnidirectivité au réseau. Le gain du réseau est optimisé par une remise en 35 phase de chacune des antennes du réseau, comme 2910727 16 expliqué ci-après dans le mode de fonctionnement des antennes à onde de sol du réseau. L'invention n'est pas limitée aux réalisations 5 décrites ci-dessus et à leurs variantes. Par exemple, elle concerne également toute combinaison de variantes des première et deuxième réalisations, comme une mise en série de groupement d'antennes sensiblement parallèles. 10 Dans les deux réalisations, le moyen d'interconnexion permet de récupérer la puissance non rayonnée par une première antenne pour alimenter une deuxième antenne consécutive à la première antenne 15 avec cette puissance récupérée, comme montré de manière schématique à la figure 4. Les antennes du réseau sont reliées entre elles deux par deux par exemple au moyen de lignes de retour LR. Il sera entendu que les antennes représentées de manière 20 superposées par souci de clarté à la figure 4 sont en réalité juxtaposées sur le sol S. En pratique, environ 10% de la puissance fournie P par le moyen d'alimentation AP à la première antenne est rayonné en onde de surface et 90% de la 25 puissance P est récupérée par la charge de la première antenne, c'est-à-dire pour alimenter la deuxième antenne reliée à la première antenne, et ainsi de suite. En considérant que le champ électrique E d'une onde de sol propagée par une 30 antenne est proportionnel à alors la somme Et des champs électriques El, E2, ..., En, avec n un entier, de n antennes identiques réalimentées ayant la même orientation peut être déduite par la relation suivante : 35 2910727 17 Et = + 0,9P + .JO,9 x 0,9P + ... + V0,9n-1P En normalisant à 1 le premier champ électrique, on obtient par exemple pour n = 4 antennes un gain de 5 groupement en champ électrique de 20 log (Et/-NF) = +11,4 dB. Or en technologie conventionnelle avec la même puissance P, une équirépartition de la puissance P sur quatre antennes identiques n'apporte que + 6 dB. 10 Cela suppose un couplage faible entre les antennes, ce qui est garanti par le fort couplage pour chaque antenne entre la ligne d'excitation, le sol et le plan de masse enfoui à environ 50 cm du sol. 15 Pour la première antenne alimentée par le moyen d'alimentation AP par une puissance P, une puissance égale à 0,1 P environ est rayonnée par la ligne d'excitation LEI en onde de sol, et une puissance égale à 0,9 P environ est récupérée pour alimenter la 20 deuxième antenne. De la même manière, une puissance égale à 0,09 P environ est rayonnée par la ligne d'excitation LE2 en onde de sol, et une puissance égale à 0,81 P environ est récupérée pour alimenter la troisième antenne. Par conséquent, une puissance 25 égale à 0,9n-1x0,1 P environ est rayonnée par la ligne d'excitation LEn d'une dernière antenne du réseau en onde de sol, et seulement une puissance environ égale à 0,9n P est perdue. La ligne d'excitation LEn de la dernière antenne 30 est terminée sur une charge d'impédance Zc égale à l'impédance caractéristique de la ligne d'excitation LEn. Par ailleurs, toutes les lignes d'excitation du réseau ont la même impédance caractéristique Zc, de sorte qu'une deuxième ligne d'excitation consécutive 35 à une première ligne d'excitation soit vue comme une 2910727 18 charge d'impédance Zc pour la première ligne d'excitation. Le mode de fonctionnement de chaque antenne de 5 sol selon l'invention repose sur l'excitation du sol par laligne d'excitation métallique LE en demi-onde, piégée entre la surface du sol S et le plan de masse PM afin de créer une composante de champ électrique normale Ey assurant à l'antenne une polarisation 10 verticale. La ligne d'excitation LE fait office de source d'excitation linéaire horizontale placée au-dessus du sol et parcourue par un courant parallèle au sol en régime d'onde progressive. L'onde de sol générée par l'antenne se trouve guidée par la bande 15 de terre par suite de réflexions multiples sur la surface de séparation entre le diélectrique constitué par la terre et le milieu extérieur constitué par l'air et sur la surface métallique enfouie constituée par le plan de masse PM. Le plan de masse PM 20 nécessaire pour générer l'onde dans le sol est de préférence une bande métallique dont la largeur est sensiblement égale à la hauteur H à laquelle s'étend la ligne d'excitation au-dessus du plan de masse, ce qui évite des effets de bords de champ électrique 25 entre la ligne d'excitation et le plan de masse et améliore le confinement des lignes de champ électrique sous la ligne d'excitation. Grâce à l'enterrement du plan de masse PM, des lignes de champ électrique sont canalisées au ras du 30 sol S de manière à injecter un courant élevé à haute fréquence dans le sol et ainsi y propager une onde de sol hectométrique, ou kilométrique, porteuse de signal d'émission utile. L'épaisseur e influence également le fonctionnement de l'antenne 2910727 19 particulièrement dans la réactance capacitive de l'antenne. En se basant sur l'optique géométrique, on montre que l'antenne de sol est le siège de deux 5 ondes : une onde de surface dans l'air, dite onde évanescente, et une onde guidée, dite onde captive, dans la terre qui est un diélectrique à perte selon la fréquence utile. La résolution des équations de Maxwell pour les deux milieux constitués par l'air et 10 la terre montre que dans chacun des deux milieux : - une onde transverse électrique ne se propage que si la longueur d'onde est inférieure à la longueur d'onde de coupure suivante : Ac = 4 e,JN2 û 1, et 15 - une onde transverse magnétique peut exister quelle que soit l'épaisseur e de la terre diélectrique. La constante d'atténuation a exprimant la décroissance exponentielle de l'onde de sol au-dessus 20 de la terre diélectrique donnée par : = 4 n2 e(K - 1)/(À2 K), où K est la constante diélectrique relative entre les deux milieux constitués par l'air et la terre. 25 On désigne par A exp(-ax) la variation de l'amplitude A de l'onde de sol en fonction de la hauteur x par rapport au sol, et par P = 1/a la hauteur pour laquelle la valeur relative de l'amplitude de l'onde de sol est passée de 1 à 1/e, e 30 désigne ici le nombre exponentiel, ce qui correspond à 87% de l'énergie localisée dans une zone d'épaisseur P au-dessus du sol. Il en résulte que l'onde de sol est utilisable en onde longue et moyenne sur différentes qualités de 35 sol, est également reçue en hauteur avec une qualité 2910727 20 acceptable pour une hauteur inférieure à 1000 m, et n'atteint pas la couche ionosphérique. L'onde évanescente accompagne l'onde captive, et a un grand intérêt pour la diffusion puisqu'elle est 5 perçue à la surface du sol. L'onde captive est une onde guidée dans la terre. Une onde guidée pure ne peut donner lieu à aucun rayonnement sauf si l'onde rencontre toutes sortes de discontinuités comme des changements 10 d'indices de réfraction, de milieux, de dimensions ou d'obstacles. L'évaluation de l'énergie rayonnée peut être effectuée sur un modèle simple constitué de deux milieux d'indices de réfraction N1 et N2 et 15 d'atténuation a1 et a2. On montre que le coefficient de transmission T de l'onde de surface à travers la discontinuité, ou en d'autres termes, le rapport T entre les amplitudes dans le milieu NI et le milieu N2 peut s'écrire : 20 T = 2 [(Ex' a2) 1/2 / (a1 + a2) l La présence de la discontinuité provoque alors une perte d'énergie rayonnée que l'on peut évaluer à: D2 = 1 - T2 = (a1 - a2) 2 / (a1 + a2) 2. Chaque antenne de sol du réseau selon 25 l'invention réside sur ce principe. Comme le montre les équations précédentes, toute variation d'un indice de réfraction N1 ou N2, ou de l'épaisseur e, provoque une atténuation différente et donc un rayonnement différent. L'antenne exploite la 30 discontinuité entre l'air et le sol et rayonne ainsi grâce à la principale discontinuité, indiquée en D dans la figure 1, créée à la périphérie de l'antenne entre le couple sol et plan de masse métallique et le sol sans le plan de masse métallique. L'invention 35 tire parti de la bonne conduction électrique de la 2910727 21 terre, ou du sol en général, aux fréquences basses, pour solliciter le sol comme vecteur de propagation de l'onde de surface et de l'onde guidée. Par ailleurs, toute discontinuité importante sur le 5 parcours de l'onde de sol est supprimée afin de ne rayonner aucune onde d'espace. Aux longueurs d'onde utiles de l'antenne selon l'invention, seule l'onde transverse magnétique TM est excitée par le courant dans la ligne d'excitation 10 LE parallèle au sol à quelques mètres. La hauteur H-e par rapport au sol résulte d'un compromis entre un mode de couplage serré, l'impédance de la ligne d'excitation, la bande passante souhaitée et l'encombrement de l'antenne. 15 Chaque antenne de sol du réseau selon l'invention peut être considérée en analyse radioélectrique quelque peu équivalente à une ligne bifilaire de longueur LLE supposée proche d'une demi- 20 longueur d'onde, comme schématisé à la figure 5. L'un des fils de la ligne bifilaire est constitué par la ligne d'excitation LE et est situé dans l'air au-dessus du sol S. L'autre fil de la ligne bifilaire est constitué par le plan de masse PM dans le sol. La 25 ligne bifilaire présente donc un milieu sans perte et un milieu avec des pertes : les deux milieux étant différents, il y a naissance d'un déséquilibre dans le mode ligne fondamental de la ligne. Ce déséquilibre ne peut être rétabli que par la présence 30 d'un courant différentiel siégeant à la surface du sol imparfait, mais très bon conducteur de l'onde de sol. On rappelle que le champ électrique E d'une onde se propageant à la surface d'un conducteur parfait 35 est perpendiculaire à cette surface, sans composante 2910727 22 de champ tangentielle Ex. Le sol n'étant pas parfait, une composante tangentielle supplémentaire Ex apparaît à la surface du sol. Le champ électrique présente ainsi une composante verticale Ey 5 prépondérante à la surface du sol S et la composante tangentielle supplémentaire Ex et devient elliptique dans un plan parallèle à la direction de propagation. La discontinuité du milieu air/sol et la perte dans le sol diélectrique conduisent à l'établissement d'un 10 courant de sol. Le front d'onde est ainsi incliné et la vitesse au sol du courant est ralentie, l'onde guidée à la surface du sol est donc appelée une onde lente puisqu'elle a une vitesse inférieure à celle de la lumière. 15 La polarisation verticale est exploitée dans l'antenne et la composante de champ électrique horizontale est négligeable dans la propagation par l'antenne. Plus particulièrement, pour satisfaire des conditions à la frontière entre les milieux, le champ 20 tangentiel est nul à la surface du sol. Le champ électrique étant vertical, la phase de ce dernier suit la phase du courant traversant la ligne d'excitation avec un léger retard puisque le champ est véhiculé par l'onde guidée qui est lente. 25 Une meilleure directivité et efficacité de l'antenne peut être obtenue en limitant la longueur de la ligne d'excitation. Une ligne trop longue inverse la phase de la composante verticale du champ électrique et détériore la directivité de l'antenne. 30 En inversant la phase à l'extrémité d'une ligne de longueur optimisée, c'est-à-dire proche de la demi-longueur d'onde, ladite ligne peut être raccordée à une autre ligne d'excitation colinéaire à la ligne d'excitation précédente, par l'intermédiaire d'un 35 moyen d'interconnexion tel que décrit précédemment, 2910727 23 afin de sommer les rayonnements des deux lignes et améliorer la directivité. Pour conférer une large bande passante à 5 l'antenne, la ligne d'excitation de l'antenne doit être terminée par une charge terminale adaptée dont l'impédance est égale à l'impédance caractéristique de la ligne d'excitation, afin de passer à un régime d'ondes progressives, autorisant ainsi qu'un seul 10 courant dans le sens de propagation vers la charge. Dans le mode de fonctionnement envisagé et en référence à la figure 6 montrant schématiquement un circuit fermé équivalent à celui d'une seule antenne, l'impédance de rayonnement Zant de l'antenne est 15 sensiblement égale à l'impédance caractéristique de l'antenne, par exemple comprise entre 200 Q et 500 Q, et la longueur LLE de la ligne d'excitation LE est de l'ordre de la demi-longueur d'onde À/2. L'impédance de rayonnement Zant de l'antenne est l'impédance 20 ramenée d'une impédance terminale Zt à travers les deux parties de l'antenne, la ligne d'excitation horizontale LE et un élément de liaison vertical EL comprenant le moyen d'alimentation AP et les deux fils reliant l'émetteur de ce dernier au plan de 25 masse et à la ligne d'excitation, qui ont des impédances caractéristiques propres ZLE et ZEL. L'impédance terminale Zt est placée en bout de ligne à une extrémité LEd, entre cette extrémité et le plan de masse PM. 30 La ligne horizontale constituée par la ligne d'excitation LE de longueur LLE et de diamètre D, placée à la hauteur H au-dessus du plan de masse métallique, a une impédance caractéristique de : ZLE = 138 log (4H/D) . 2910727 24 La ligne verticale constituée par l'élément de liaison EL de hauteur H et de diamètre d a une impédance caractéristique sensiblement égale à : ZEL = 60 (2,306 log(4H/d) - 1). 5 L'impédance ZLEg ramenée à l'extrémité LEg de la ligne horizontale par transformation de l'impédance terminale Zt est: ZLEg = ZLE (Zt + 7 ZLE tg(RLLE))/(ZLE + 7 Zt tg (RLLE)) , 10 soit pour ZLE = Zt, ZLEg = ZLE, avec R = 2n/À = 2nF/c, c étant la vitesse de la lumière. Par conséquent, l'impédance ramenée est indépendante de la longueur de la ligne et de la 15 fréquence F, et l'antenne a donc une large bande passante. L'impédance ramenée au pied de la ligne verticale par transformation de l'impédance terminale ZLEg est: Zant ZEL (ZLEg + 7 ZEL tg(RH))/(ZEL + 7 ZLEg tg((3H) ), Soit Zant = ZEL (ZLE + 7 ZEL tg(RH))/(ZEL + 7 ZLE tg((3H)). La hauteur H étant faible devant la longueur d'onde À, l'impédance de rayonnement Zant de l'antenne devient : Zant = ZLE Cette égalité confirme que chaque antenne est à 30 onde progressive, indépendante de la fréquence, et donc à large bande. La bande passante du réseau d'antennes dépend alors des dimensions de chaque antenne et des moyens d'interconnexion entre les antennes. 20 25 2910727 25 Pour l'exemple d'antenne défini ci-dessus avec des dimensions de H = 3,5 m, D = d = 0,063 m et LLE = 100 m, les lignes ont les impédances caractéristiques suivantes : ZLE = 324 Q et ZEL = 265 S2. 5 Pour une longueur totale de ligne égale à 100 m terminée par une charge de 450 Q, en utilisant un amplificateur de type transformateur torique 1/9 sans perte en sortie d'un générateur de 50 Q, une bande passante supérieure à 300 kHz a été mesurée dans la 10 bande des ondes moyennes ou longues. Par ailleurs, pour une puissance fournie de +16 dBm par le générateur, une fréquence de 1330 kHz est mesurée à l'extrémité de la ligne au niveau de la charge terminale, par exemple par une pince de courant à 15 haute fréquence calibrée. Un courant de 8,9 mA est alors mesuré dans la charge de 450 Q, ce qui correspond à une puissance reçue égale à : P = 450 x 0,00892 W = 35,6 mW = +15,5 dBm. On déduit de la puissance fournie de +16 dBm et 20 de la puissance reçue de +15,5 dBm une puissance rayonnée de +0,5 dBm. Ces résultats confirment qu'environ 10% de la puissance fournie est rayonnée en onde de sol et qu'environ 90% de la puissance fournie est reçue par la charge et peut donc être 25 récupérée pour alimenter une autre antenne. La résistance de perte relative à la ligne d'excitation et le plan de sol est estimée à 1 Q environ et est donc très inférieure à l'impédance caractéristique de la ligne, c'est-à-dire de la charge, et n'entre donc 30 pas dans le bilan de perte en puissance. Toujours pour une longueur totale de ligne égale à 100 m terminée par une charge de 450 Q, et une puissance rayonnée de +0,5 dBm, le rendement du réseau d'antenne est plus élevé pour une longueur 35 d'onde comprise entre 0,45 À et 0,65 À, et passe par 2910727 26 un maximum pour une longueur

d'onde égale à 0,57 A. Le rendement est en outre presque invariant pour une hauteur h de la ligne par rapport au sol comprise entre 1 m et 3 m. Un champ électrique de sol mesuré à 5 une distance de 1100 m du réseau d'antennes atteint une valeur de 42 dBuV/m pour une fréquence de 1705 kHz, soit une longueur de ligne égale à 0,57 À avec À = 176 m.

10 D'après ce qui précède, l'antenne peut avoir une impédance élevée, ce qui limite l'intensité du courant et les pertes ohmiques pour une fréquence donnée. Par ailleurs, le choix d'un matériau très conducteur tel que le cuivre n'est pas obligatoire.

15 En puissance élevée, le gradient de potentiel Gv proportionnel à l'intensité I du courant traversant la ligne d'excitation de rayon r = D/2 doit être inférieur à une limite donnée selon la relation suivante : 20 Gv = 60 I/r < 7000 V/cm. Pour une ligne de diamètre 12 mm, le courant maximum serait de 70 A, ce qui correspond à une puissance maximale d'environ 160 kW pour une ligne d'impédance égale à 330 Q. Si la ligne d'excitation 25 est une cage composée de plusieurs fils métalliques parallèles identiques ayant un diamètre de 12 mm, la puissance transportée peut atteindre 1 MW. Puisque la phase du courant évolue en fonction 30 de la longueur de la ligne d'excitation de chaque antenne du réseau, ce dernier comprend optionnellement un moyen de remise en phase entre les de chaque couple d'antennes réseau afin de remettre en phase les deux antennes consécutives du 2910727 27 ondes rayonnées par les deux antennes et de maximiser ainsi le gain du réseau. Selon la disposition des antennes du réseau, le moyen de remise en phase peut être une ligne de 5 retour souterraine LR ou un transformateur TRA inverseur de phase, éventuellement associé à une capacité ou une self. Dans un premier exemple, une première antenne a une ligne d'excitation sensiblement rectiligne et 10 ayant une longueur de l'ordre de la demi- longueur d'onde. La phase du courant à l'extrémité de la ligne d'excitation a tourné de 180 . Une ligne de retour souterraine reliant la ligne d'excitation de la première antenne à la ligne d'excitation d'une 15 deuxième antenne a la même longueur que la ligne d'excitation de la première antenne. Dans ce cas, la phase du courant à l'extrémité de la ligne de retour a également tourné de 180 . Ainsi, la deuxième antenne est alimentée en phase avec la première 20 antenne. Dans un deuxième exemple, une première antenne a une ligne d'excitation ayant une longueur égale à 0,57 A. La phase du courant à l'extrémité de la ligne d'excitation a tourné de 205 . Une ligne de retour 25 souterraine reliant la ligne d'excitation de la première antenne à la ligne d'excitation d'une deuxième antenne a une longueur plus courte que la ligne d'excitation de la première antenne de sorte que la phase du courant à l'extrémité de la ligne de 30 retour ait tourné de 155 , afin que les première et deuxième antennes soient alimentées en phase. Selon ce deuxième exemple, la ligne d'excitation peut être suspendue entre des poteaux isolants régulièrement répartis le long de la ligne, la flèche 35 entre deux poteaux consécutifs conférant une longueur 2910727 28 supplémentaire à la ligne d'excitation aérienne par rapport à la ligne de retour s'étendant par exemple rectilignement sous la ligne aérienne. La ligne d'excitation peut en outre s'étendre en zigzag de 5 manière tendue ou être légèrement enroulée en spirale sur elle-même tout en préservant une direction principale. Dans un troisième exemple, les extrémités d'un transformateur inverseur de phase comprenant par 10 exemple des bobines entrelacées sont reliées aux lignes d'excitation d'une première antenne et d'une deuxième antenne, la ligne d'excitation de la première antenne étant de longueur de l'ordre de la demi-longueur d'onde.

15 Dans tous les exemples, pour ajuster la phase du courant entre les deux antennes, la ligne de retour ou le transformateur peut être associé à une capacité pour un allongement de la longueur électrique de la ligne, ou à une inductance pour une réduction de la 20 longueur électrique de la ligne. En fonction des besoins, le moyen d'alimentation en puissance AP comprend plusieurs moyens d'alimentation en puissance fournissant des signaux 25 par exemple de programmes radiophoniques qui peuvent être multiplexés en entrée d'antennes. Les antennes du réseau ont longueurs différentes afin qu'elles respectivement les signaux dans des 30 fréquence différentes. On notera que l'antenne à onde de sol selon l'invention décrite ci-dessus peut être indifféremment une antenne d'émission pour émettre, 35 ou bien une antenne de réception pour recevoir une numériques du réseau alors des diffusent bandes de 2910727 29 onde kilométrique ou hectométrique de sol porteuse d'un signal utile, tout en étant discrète et insensible aux parasites extérieurs sur le sol et de l'ionosphère. 5

Claims

REVENDICATIONS

1 - Réseau d'antennes à onde de sol comprenant chacune un plan de masse (PM) enfoui sensiblement horizontalement à proximité et sous la surface du sol (S) et une ligne d'excitation métallique (LE) s'étendant sensiblement rectilignement et parallèlement au-dessus du plan de masse et du sol pour rayonner des ondes de sol, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un moyen d'interconnexion (LR, TRA) reliant des première et deuxième antennes consécutives du réseau pour alimenter la deuxième antenne avec une puissance non rayonnée par la première antenne.

2 - Réseau d'antennes conforme à la revendication 1, dans lequel chaque antenne a une impédance terminale égale à son impédance caractéristique.

3 - Réseau d'antennes conforme à la revendication 1 ou 2, comprenant une charge terminale (Zt) entre une extrémité de la ligne d'excitation (LEI) d'une antenne du réseau et un plan de masse 25 (PM) associé à cette antenne, la charge terminale ayant une impédance égale à l'impédance caractéristique de la ligne d'excitation, et l'autre extrémité de ladite ligne d'excitation étant reliée à une autre ligne d'excitation (LE2) d'une autre 30 antenne du réseau par un moyen d'interconnexion (LR, TRA).

4 - Réseau d'antennes conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le 2910727 31 moyen d'interconnexion comprend une ligne de retour souterraine (LR).

5 - Réseau d'antennes conforme à l'une 5 quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le moyen d'interconnexion comprend un transformateur (TRA).

6 - Réseau d'antennes conforme à l'une 10 quelconque des revendications 1 à 5, comprenant un moyen (LR, TRA) pour remettre en phase les ondes rayonnées par deux antennes consécutives et reliées entre elles.

7 - Réseau d'antennes conforme à la revendication 6, dans lequel le moyen pour remettre en phase comprend une ligne de retour souterraine inverseuse de phase (LR).

8 - Réseau d'antennes conforme à la revendication 6, dans lequel le moyen pour remettre en phase comprend un transformateur inverseur de phase (TRA).

9 - Réseau d'antennes conforme à l'une quelconque des revendications 6 à 7, dans lequel au moins un moyen d'interconnexion et au moins un moyen de remise en phase sont en partie confondus.

10 - Réseau d'antennes conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant des poteaux isolants sensiblement verticaux (PI) pour soutenir la ligne d'excitation (LE) de chaque antenne au-dessus du sol (S). 15 20 2910727 32

11 - Réseau d'antennes conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la ligne d'excitation (LE) de chaque antenne a une longueur dans un rapport avec la longueur d'onde 5 rayonnée par la ligne d'excitation compris entre 45/100 environ et 65/100 environ.

12 - Réseau d'antennes conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel la 10 ligne d'excitation (LE) de chaque antenne a une impédance caractéristique comprise entre 200 environ et 500 0 environ.

13 - Réseau d'antennes conforme à l'une 15 quelconque des revendications 1 à 12, comprenant au moins un moyen d'alimentation en puissance (AP) ayant des bornes (fi, f2) reliées respectivement à la ligne d'excitation (LEI) et au plan de masse (PM) d'une antenne du réseau et apte à fournir une puissance 20 supérieure à 100 kW environ.

14 - Réseau d'antennes conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel des antennes ont des longueurs différentes et comprenant 25 plusieurs moyens d'alimentation pour fournir des signaux dans des bandes de fréquence différentes diffusés respectivement par les antennes de longueurs différentes.