WO2008081125A1 - Reseau d'antennes a onde de sol progressive kilometrique ou hectometrique - Google Patents

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WO2008081125A1
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ground
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excitation line
network
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Philippe Piole
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Definitions

  • the present invention relates to an antenna array, in particular for transmitting on a Telescope or hectometric progressive wave in a low or medium frequency band between about 10 kHz and about 3 MHz, for example for digital radio program broadcasting.
  • a substantially Anac or hectometric ground wave antenna suffers from a bandwidth that is lower as the frequency of use is low.
  • the antenna comprises a single metal excitation loop, is powered by a single transmitter and does not allow the multiplexing of several programs, or the broadcasting of programs on several frequencies.
  • the antenna is also omnidirectional like the pylon and has a limited scope of application for local broadcasting near or in a city in long or medium waves.
  • an array of ground wave antennas each comprising a ground plane buried substantially horizontally near and below the ground surface and a metal excitation line extending substantially rectilinearly and parallel to it above. of the ground plane and the ground plane for radiating ground waves, characterized in that it comprises at least one interconnection means connecting first and second consecutive antennae of the network for supplying the second antenna with a power not radiated by the first antenna, each antenna having a terminal impedance equal to its characteristic impedance.
  • the power not radiated on a ground wave typically hectometric or kilometer by the first antenna of the couple represents approximately 90% of the power supplied to the first antenna and feeds the second antenna of the antenna. torque, so that the power initially supplied to the network is used to the maximum according to the number of antennas of the network and the power lost in a terminal load of the network is minimal.
  • the ground wave is due to the injection of high currents in the ground without any lateral radiation of a space wave compared to a pylon antenna, the antenna using a magnetic and non-electric radiation mode for waves substantially. kilometers or hectometres.
  • the ground wave, and not a space wave carries a useful digital or analog signal to receivers.
  • the virtual absence of a space wave component above the ground surface advantageously solves problems of electromagnetic compatibility and exposure of people, and coupling of the antenna with structures close to the antenna at the antenna. above the ground.
  • the ground wave antenna array according to the invention is very discreet and thus insensitive to any violent wind, blast, lightning, earthquake or explosion.
  • the ground wave antenna array has almost no radar echo area (SER).
  • the different antennas of the network can extend in different directions so as to transmit towards privileged targets while respecting administrative constraints related to radiation patterns and apparent power radiated in certain sensitive areas or near borders.
  • each antenna of the network has a terminal impedance equal to its impedance characteristic so as to radiate progressive waves, which confers a large bandwidth to the antenna.
  • the higher the number of antennas in the network the wider the bandwidth of the network.
  • the network can thus have a very wide bandwidth, even at low frequencies, allowing digital broadcasting and multiplexing of several programs from the single site of the network.
  • the network can pave the way for LF digital broadcasting with excellent rural and urban spread.
  • the network may also comprise a terminal load between an end of the excitation line of an antenna of the network and the ground plane associated with this antenna, the terminal load having an impedance equal to 1 'characteristic impedance of the line of excitation, and the other end of said excitation line being connected to another excitation line of another antenna of the network by an interconnection means.
  • the network may also comprise at least one means for re-phasing the waves radiated by two consecutive and interconnected antennas. This re-phasing makes it possible to summon the radiations of the two antennas and to improve the directivity as well as the gain of the network, in particular when the antennas extend in the same direction.
  • the interconnection means may thus comprise an underground return line or a transformer and the means for re-phasing may comprise a reverse inverting phase return line or a phase inverting transformer.
  • the way interconnection and the means for re-phasing can be partially confused.
  • the excitation line of each antenna has a length in a ratio with the wavelength radiated by the excitation line between about 45/100 and about 65/100, length of excitation line for which the directivity and the efficiency of the antenna are maximum.
  • the excitation line of each antenna furthermore has a characteristic impedance of between approximately 200 ⁇ and approximately 500 ⁇ , which limits the intensity of the current and the ohmic losses for a given frequency and allows operation with a high power, by example greater than about 100 kW.
  • the network may comprise at least one power supply means having terminals connected respectively to the excitation line and to the ground plane of an antenna of the network and capable of supplying power. greater than about 100 kW.
  • the network may comprise antennas having different lengths and several power supply means for providing signals in different frequency bands in order to broadcast these signals respectively by antennas of different lengths adapted to said frequency bands.
  • FIG. 1 is a diagrammatic vertical front view partially showing a first antenna and a last antenna of a network according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic vertical front view of a network comprising two antennas connected together according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a diagrammatic vertical front view of a network comprising two antennas connected together according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a schematic vertical front view illustrating the power radiated by each of the antennas of a network connected together in pairs;
  • FIG. 5 shows schematically electric field components in a line equivalent to an antenna according to the invention.
  • FIG. 6 is a diagram similar to FIG. 1 for adapting the connection of a transmitter to an antenna as a function of the characteristic impedance of the transmitter.
  • the antenna array according to the invention comprises at least two ground wave antennas.
  • the antennas of the network are connected to each other consecutively two by two.
  • the antenna network further comprises at least one interconnection means between two consecutive antennas. More precisely, the number of antennas in the network exceeds by one the number of interconnection means of the network. Elements common to each of the ground wave antennas of the network are described below with reference to FIG.
  • a ground wave antenna according to the invention radiating with a useful wavelength ⁇ , emission or reception, substantially Telescope or substantially hectometric wavelength substantially comprises a substantially horizontal metal mass plane PM and a metal excitation line LE substantially horizontal.
  • the ground plane PM is buried near and below the surface of the soil S has a thickness of earth e of a few tens of centimeters, typically about 50 cm below the surface of the ground.
  • the ground plane is covered with earth, including any decorative arrangement such as a lawn or a plantbed.
  • the ground plane extends horizontally in a direction substantially parallel to that of the excitation line LE and has a width of the order of 1 m for a length substantially equal to that of the excitation line.
  • the ground plane occupies a floor area of a few tens of square meters to a few hundred square meters.
  • the contour of the ground plane may be rectangular or substantially regular polygonal, so as to form for example a horizontal band parallel to the excitation line LE.
  • the ground plane PM is metallic and must provide excellent electrical continuity between the elements that compose it so that it contributes to the directionality of the antenna, be of easy construction and therefore inexpensive, and be insensitive to chemical attack in the natural environment that is the earth.
  • the ground plane is made of welded sheets. The sheets are anchored directly into the ground and are welded or tied together by metal fasteners to ensure excellent electrical continuity between the sheets and the ground.
  • the ground plane is a wire mesh.
  • the trellis is composed of wires with square mesh for example having a small side with respect to the useful wavelength ⁇ , for example between about ⁇ / 20 and ⁇ / 10 approximately.
  • the wire mesh can also be formed at least partially by reinforcement embedded in concrete, for example the reinforced concrete slab or other existing underground structure or to build.
  • the ground plane PM may be copper or aluminum, or an alloy whose main component is copper or aluminum.
  • the metal excitation line LE extends substantially horizontally above the ground surface S at a height h and above the ground plane PM at a height H.
  • the height H is generally between about 1 m. and about 3 m and the height h is deduced from He.
  • the excitation line LE has a length greater than 25 m approximately.
  • the excitation line and the ground plane are superimposed so that they are regularly centered on a vertical common axis. Burial of the ground plane S in the ground S underlying the LE excitation line slightly above the ground makes the ground antenna almost invisible and unobtrusive, particularly in urban areas, compared to a pylon antenna.
  • the excitation line LE has a length LLE substantially of the order of half a useful wavelength ⁇ / 2 of the antenna.
  • the length LLE is generally between a ratio of about 45/100 to about 65/100 with the wavelength radiated by the excitation line, ie between 0.45 ⁇ and 0.65 ⁇ , and preferably equal to at 0.57 ⁇ .
  • the excitation line LE is for example supported in a horizontal plane above the ground S at the height h by substantially vertical insulating posts PI which are regularly distributed along the line, for example every 4 m to 5 m. Each PI post is for example wood or plastic.
  • the excitation line LE is preferably made of a galvanized metal tube of diameter D between about 5 cm and about 20 cm.
  • the tube is for example made of steel, or preferably a better conductor, for example copper or aluminum, or an alloy having the predominant component of copper or aluminum.
  • the excitation line LE consists of several superimposed or parallel tubes, a few tens of centimeters apart to allow a higher power, an improved bandwidth and a reduction in losses.
  • the excitation line LE may be thinner and made in the form of a wire or a sheet of metal son, which leads to decrease the bandwidth of the antenna.
  • the excitation line LE is in the form of a cage of diameter D composed of several parallel parallel wires circularly having a diameter of between about 6 mm and about 12 mm.
  • the cage constituting the excitation line LE comprises metal rings welded to the metal wires regularly distributed along its length, for example every 5 m to 10 m, to keep the parallel and equidistant metal wires in pairs and thus preserve the equipotential distribution in circular section in the cage.
  • the cages are advantageously lighter than the tubes and all the cages of the cages are less expensive than the tubes.
  • a first antenna of the network comprises, in addition to a metal ground plane and a metal excitation line, at least one AP power supply means for supplying the entire antenna network.
  • a last antenna of the network comprises, in addition to a metal ground plane and a metal excitation line, a substantially vertical ET termination element connecting the excitation line to the ground plane and comprising a terminal load Zc.
  • the impedance of the terminal load is equal to the characteristic impedance of the excitation line. Therefore, only said first and last antennas of the network are each connected to an antenna, and the other antennas of the network are each connected to two antennas.
  • the power supply means AP has wire terminals f1 and f2 connected to the first antenna and the termination element ET is connected to the last antenna partially shown.
  • Each ground antenna of the network thus described is substantially equivalent to a large half-wave line which radiates in a directive manner a ground wave of vertical polarization in a radius of a few kilometers to a few tens of kilometers depending on the power of some hundreds of watts to a few thousand watts of AP power supply means connects to the first antenna of the network.
  • the power supply means AP mainly comprises a transmitter installed on the ground, close to the ground plane PM and the excitation line LE, for example to transmit broadcasting programs through the antenna network, and a power cable. As shown schematically in FIG. 1, two wires f1 and f2 of the power cable connect negative and positive terminals of the emitter respectively to the ground plane PM and to one end of the excitation line LE.
  • a characteristic impedance of the ground antenna of the order of approximately 450 ⁇ is compatible with an amplifier of the 1/9 toroidal transformer type at the output of the transmitter whose output impedance is low of the order about 50 ⁇ .
  • the interconnection means between two consecutive antennas of the network comprises an underground return line LR and first and second metallic connection elements ER1 and ER2 which are respectively connected to a first line of LEl excitation of a first antenna and a second LE2 excitation line of a second antenna.
  • the return line LR extends substantially horizontally in a means for confining the CLC field lines below the ground plane PM1 relative to the first excitation line LE1.
  • the return line LR has the particularity of being non-radiating and having a characteristic impedance equal to that of the excitation lines.
  • the first connecting element ER1 has an upper end ERI welded to one of the ends of the first excitation line LE1, and a lower end ERIi soldered to one end of the return line LR which is located at a distance a from the ground plane PM1 below the surface of the ground S.
  • the other end of the return line LR is welded to a lower end ER2i of the second connecting element ER2 whose upper end ER2s is soldered to one end of the second excitation line LE2.
  • the connecting elements pass through the ground and the earth via an ISO insulator, such as porcelain, and can be made of a galvanized metal tube with a diameter of between about 5 cm and about 20 cm.
  • the return line LR is placed in the means of confinement of the CLC field lines which is a gutter underlying the ground plane PM.
  • the parasitic radiation of the return line is then controlled since the field lines coming from the return line are confined to the ground plane.
  • the return line LR is enclosed in the means for confining the CLC field lines, which is a metal box whose upper part consists of a part of the ground plane PM.
  • the parasitic radiation of the return line is then completely eliminated since all the lines of fields coming from the return line are confined in the metal box, which does not generate any excitation of the ground and neighboring lines.
  • the return line can then be a coaxial line carrying high power.
  • the connecting elements ER1 and ER2, the return line LR and the excitation lines LE1 and LE2 may be of the same kind, such as galvanized metal tubular rods having identical cross-section diameters, for example about 60 mm.
  • the ISO insulators through which the connecting elements ER1 and ER2 cross the earth are respectively attached to the ends of the confinement means of the CLC field lines and pass through the ground planes PM1 and PM2 via small holes provided for this purpose.
  • the diameter of the insulators being slightly greater than that of the connecting elements.
  • Figure 2 shows a configuration of the network with only two antennas radiating in opposite directions. The current leading ends of the two antennas can be very close.
  • This type of network configuration can be extended to more than two antennas.
  • the antennas of the array are arranged in a star or a ring or a polygon so as to radiate in respective directions which gives the network a substantially "omnidirectional" radiation.
  • a main direction of ground wave radiation of the network is defined along an axis of sensitive alignment of the excitation lines or sensitive symmetry of the excitation lines arranged side by side and substantially parallel.
  • the interconnection means between two consecutive antennas of the network comprises a transformer TRA whose ends are connected to first and second excitation lines LE1 and LE2 of the two consecutive antennas via transmission lines. transition of the same nature as the lines of excitation.
  • the transformer TRA can be located above the ground S, or buried near the ground. In the latter case, the transformer and transition lines are placed in the ground inside insulators that may be porcelain.
  • Figure 3 shows a configuration of the network has only two antennas radiating for example in the same direction.
  • the ground planes PM1 and PM2 of the two antennas can constitute only one ground plane.
  • This type of network configuration can be extended to more than two antennas to obtain a series of linear antennas of the network in order to obtain a maximum gain in the direction of the antennas and ensure a strong reduction of the rear field of the antennas.
  • the antennas can be put in series to obtain a ring-shaped network and impart omni-directionality to the network.
  • the gain of the network is optimized by a re-phasing of each of the antennas of the network, as explained below in the operating mode of the ground wave antennas of the network.
  • the invention is not limited to the embodiments described above and their variants.
  • it also relates to any combination of variants of the first and second embodiments, such as a serial array of substantially parallel antennas.
  • the interconnection means makes it possible to recover the power not radiated by a first antenna to feed a second antenna consecutive to the first antenna with this recovered power, as shown schematically in FIG. 4.
  • the antennas of the network are connected together by two for example by means of return lines LR. It will be understood that the antennas shown in a superimposed manner for the sake of clarity in FIG. 4 are actually juxtaposed on the ground S.
  • a power equal to about 0.09 P is radiated by the excitation line LE2 in ground wave, and a power equal to about 0.81 P is recovered to feed the third antenna. Therefore, a power equal to about 0.9 x ⁇ , I P is radiated by the excitation line LEn of a last antenna of the ground-wave network, and only about a power equal to 0.9 P is lost.
  • the excitation line LEn of the last antenna is terminated on an impedance load Zc equal to the characteristic impedance of the excitation line LEn. Moreover, all the excitation lines of the network have the same characteristic impedance Zc, so that a second excitation line consecutive to a first excitation line is seen as a impedance load Zc for the first excitation line.
  • each ground antenna is based on the excitation of the ground by the half-wave LE excitation line, trapped between the surface of the ground S and the ground plane PM in order to create a normal electric field component Ey ensuring the antenna a vertical polarization.
  • the excitation line LE acts as a horizontal linear excitation source placed above the ground and traversed by a current parallel to the ground in a progressive wave regime.
  • the ground wave generated by the antenna is guided by the earth strip as a result of multiple reflections on the separation surface between the dielectric formed by the earth and the external environment consisting of air and the buried metal surface constituted by the ground plane PM.
  • the mass plane PM necessary to generate the wave in the ground is preferably a metal strip whose width is substantially equal to the height H at which the excitation line extends above the ground plane, which avoids electric field edge effects between the excitation line and the ground plane and improves the confinement of the electric field lines under the excitation line.
  • ground plane PM Through the burial of the ground plane PM, electric field lines are channeled flush with the ground S so as to inject a high current at high frequency into the ground and thus propagate a ground wave hectometric, or kilometer, carrier useful transmission signal.
  • the thickness e also influences the operation of the antenna particularly in the capacitive reactance of the antenna.
  • the ground antenna is the seat of two waves: a surface wave in the air, called the evanescent wave, and a guided wave, called a captive wave, in the earth. is a lossy dielectric according to the useful frequency.
  • Maxwell for the two environments constituted by the air and the earth shows that in each of the two environments:
  • K is the dielectric constant relative between the two environments constituted by air and earth.
  • a exp (- ⁇ x) the variation of the amplitude A of the ground wave as a function of the height x with respect to the ground
  • P 1 / ⁇ the height for which the relative value of the amplitude of the ground wave has increased from 1 to 1 / e
  • e here denotes the exponential number, which corresponds to 87% of the energy located in a zone of thickness P above the ground.
  • the ground wave is usable in long and medium wave on different soil qualities, is also received in height with a quality acceptable for a height less than 1000 m, and does not reach the ionospheric layer.
  • the evanescent wave accompanies the captive wave, and has a great interest for the diffusion since it is perceived on the surface of the ground.
  • the captive wave is a guided wave in the earth.
  • a pure guided wave can not give rise to any radiation unless the wave encounters all kinds of discontinuities such as changes in refractive indices, backgrounds, dimensions or obstacles.
  • the presence of the discontinuity then causes a loss of radiated energy that can be evaluated at:
  • Each ground antenna of the network according to the invention resides on this principle. As shown in the preceding equations, any variation of a refractive index Ni or N2, or of the thickness e, causes a different attenuation and therefore a different radiation.
  • the antenna exploits the discontinuity between the air and the ground and radiates thus thanks to the main discontinuity, indicated in D in figure 1, created on the periphery of the antenna between the couple ground and plane of metallic mass and the ground without the metallic mass plan.
  • the invention takes advantage of the good electrical conduction of the earth, or the ground in general, at low frequencies, to solicit the ground as vector of propagation of the surface wave and the guided wave. Moreover, any significant discontinuity on the path of the ground wave is suppressed so as not to radiate any space wave.
  • the magnetic transverse wave TM is excited by the current in the excitation line LE parallel to the ground a few meters.
  • the height H-e relative to the ground results from a compromise between a tight coupling mode, the impedance of the excitation line, the desired bandwidth and the size of the antenna.
  • Each ground antenna of the network according to the invention can be considered in radio analysis somewhat equivalent to a two-wire line of length LLE assumed to be close to half a wavelength, as shown diagrammatically in FIG.
  • the two-wire line is constituted by the excitation line LE and is located in the air above the ground S.
  • the other wire of the two-wire line consists of the ground plane PM in the ground.
  • the two-wire line thus presents a lossless medium and a medium with losses: the two media being different, there is an imbalance in the fundamental line mode of the line. This imbalance can only be restored by the presence of a differential current sitting on the imperfect ground surface, but a very good conductor of the ground wave.
  • the electric field E of a wave propagating on the surface of a perfect conductor is perpendicular to this surface, without component tangential field Ex.
  • the soil is not perfect, an additional tangential component Ex appears on the surface of the ground.
  • the electric field thus has a predominant vertical component Ey at the surface of the ground S and the additional tangential component Ex and becomes elliptical in a plane parallel to the direction of propagation.
  • the discontinuity of the air / soil medium and the loss in the dielectric soil lead to the establishment of a current of soil.
  • the wavefront is thus inclined and the ground speed of the current is slowed down, so the wave guided on the surface of the ground is called a slow wave since it has a speed lower than that of light.
  • the vertical polarization is exploited in the antenna and the horizontal electric field component is negligible in the propagation by the antenna. More particularly, to satisfy conditions at the boundary between the media, the tangential field is zero at the surface of the ground.
  • the electric field being vertical, the phase of the latter follows the phase of the current passing through the excitation line with a slight delay since the field is conveyed by the guided wave which is slow.
  • Better directivity and efficiency of the antenna can be achieved by limiting the length of the excitation line.
  • a line that is too long reverses the phase of the vertical component of the electric field and deteriorates the directivity of the antenna.
  • By inverting the phase at the end of a line of optimized length, i.e. close to the half wavelength said line can be connected to another line of excitation collinear with the line d previous excitation, via an interconnection means as described above, to sum the radiation of the two lines and improve the directivity.
  • the excitation line of the antenna In order to confer a large bandwidth on the antenna, the excitation line of the antenna must be terminated by a suitable terminal load whose impedance is equal to the characteristic impedance of the excitation line, in order to switch to a progressive wave regime, allowing a single current in the direction of propagation to the load.
  • the antenna radiation impedance Z an t of the antenna is substantially equal to the characteristic impedance of the antenna.
  • antenna for example between 200 ⁇ and 500 ⁇
  • the length LLE of the excitation line LE is of the order of the half-wavelength ⁇ / 2.
  • the antenna impedance Z an t of the antenna is the impedance reduced by a terminal impedance Zt across the two parts of the antenna, the horizontal excitation line LE and a vertical connection element EL comprising the means AP power supply and the two wires connecting the transmitter of the latter to the ground plane and the excitation line, which have their own characteristic impedances ZLE and ZEL-
  • the terminal impedance Zt is placed at the end of the line has a end LEd, between this end and the ground plane PM.
  • the vertical line formed by the link element EL of height H and of diameter of a characteristic impedance substantially equal to:
  • the impedance brought back is independent of the length of the line and the frequency F, and the antenna has a wide bandwidth.
  • each antenna is progressive wave, independent of frequency, and therefore broadband.
  • the bandwidth of the antenna array then depends on the dimensions of each antenna and the means of interconnection between the antennas.
  • Z L E 324 ⁇
  • Z E L 265 ⁇ .
  • a frequency of 1330 kHz is measured at the end of the line at the level of the terminal load, for example by a calibrated high-frequency current clamp.
  • a current of 8.9 mA is then measured in the load of 450 ⁇ , which corresponds to a received power equal to:
  • the efficiency of the antenna network is higher for a wavelength of between 0, 45 ⁇ and 0.65 ⁇ , and goes through a maximum for a wavelength equal to 0.57 ⁇ .
  • the yield is moreover almost invariant for a height h of the line relative to the ground of between 1 m and 3 m.
  • the antenna can have a high impedance, which limits the current intensity and the ohmic losses for a given frequency. Moreover, the choice of a highly conductive material such as copper is not mandatory.
  • the maximum current would be 70 A, which corresponds to a maximum power of approximately 160 kW for an impedance line equal to 330 ⁇ . If the excitation line is a cage composed of several identical parallel metallic wires having a diameter of 12 mm, the transported power can reach 1 MW.
  • the latter optionally comprises a means of re-phasing between the two antennas of each pair of consecutive antennas of the network in order to restore phase radiated waves by both antennas and thus maximize the gain of the network.
  • the reshaping means may be an underground return line LR or a phase inverting transformer TRA, possibly associated with a capacitance or a choke.
  • a first antenna has a substantially straight excitation line and having a length of the order of half the wavelength.
  • the current phase at the end of the excitation line has rotated 180 °.
  • An underground return line connecting the excitation line of the first antenna to the excitation line of a second antenna has the same length as the excitation line of the first antenna.
  • the phase of the current at the end of the return line has also turned 180 °.
  • the second antenna is powered in phase with the first antenna.
  • a first antenna has an excitation line having a length equal to 0.57 ⁇ .
  • the phase of the current at the end of the excitation line has rotated by 205 °.
  • An underground return line connecting the excitation line of the first antenna to the excitation line of a second antenna has a shorter length than the excitation line of the first antenna so that the current phase at the antenna end of the return line rotated 155 °, so that the first and second antennas are energized in phase.
  • the excitation line may be suspended between insulating poles regularly distributed along the line, the arrow between two consecutive poles conferring a length additional to the line of aerial excitation with respect to the return line extending for example rectilinearly under the airline.
  • the excitation line may further extend zigzagly in a tense manner or be slightly spiraled around itself while preserving a main direction.
  • the ends of a phase-inverting transformer comprising, for example, interleaved coils are connected to the excitation lines of a first antenna and a second antenna, the excitation line of the first antenna being of length of the order of the half-wavelength.
  • the return line or the transformer can be associated with a capacity for an extension of the electrical length of the line, or with an inductance for a reduction of the length electric line.
  • the power supply means AP comprises a plurality of power supply means providing signals, for example digital radio programs that can be multiplexed at the input of the antenna array.
  • the antennas of the network then have different lengths so that they respectively diffuse the signals in different frequency bands.
  • the ground wave antenna according to the invention described above can be indifferently a transmitting antenna for transmitting, or a receiving antenna to receive a kilometer or hectometre of soil carrying a useful signal, while being discreet and insensitive to external parasites on the ground and the ionosphere.

Abstract

Chaque antenne à onde de sol du réseau comprend un plan de masse (PMl, 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

Réseau d'antennes à onde de sol progressive kilométrique ou hectométπque
La présente invention concerne un réseau d'antennes notamment pour émettre en ondes progressives kilométriques ou hectometriques 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 a 350 mètres sont bien souvent installes loin des villes pour émettre des signaux dans la bande des ondes hectometriques 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 a une faible profondeur dans le sol.
Toutefois, l'avenir des grands pylônes rayonnants a 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 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 d'obstacles a 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 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 installe en 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 la demande de brevet EP 1 594 186, une antenne à onde de sol sensiblement kilométrique ou 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 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 moyennes.
La présente invention a pour objectif de fournir un reseau d'antennes a onde de sol qui est destiné à rayonner en ondes progressives sensiblement kilométriques ou hectometriques, qui n'offre pas les 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 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 proximité et sous la surface du sol et une ligne d'excitation métallique s 'étendant sensiblement de manière rectiligne et parallèlement au-dessus du plan de masse et du sol pour rayonner des ondes de sol, caractérise en ce qu'il comprend au moins un moyen d'interconnexion reliant des première et deuxième antennes consécutives du reseau pour alimenter la deuxième antenne avec une puissance non rayonnée par la première antenne, chaque antenne ayant une impédance terminale égale a son impédance caractéristique.
Pour tout couple d'antennes consécutives du réseau selon l'invention, la puissance non rayonnée en onde de sol typiquement hectometrique 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 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 reseau est minimale.
Par ailleurs, la discontinuité entre l'air et le 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 polarisation verticale. L'onde de sol est due à 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 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 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.
Grâce au plan de masse enfoui dans le sol à quelques dizaines de centimètres et à la ligne d'excitation suspendue a une hauteur supérieure à un mètre environ au-dessus du sol pour chaque antenne de sol, le réseau d'antennes a onde de sol selon l'invention est très discret et ainsi insensible a tout vent violent, souffle, foudre, séisme ou explosion. En outre, le reseau d'antennes à onde de sol ne présente quasiment pas de surface écho radar (SER) .
Les différentes antennes du réseau peuvent s'étendre dans des directions différentes de manière a émettre vers des cibles privilégiées tout en respectant des contraintes administratives liées aux diagrammes de rayonnement et puissances apparentes rayonnées dans certaines zones sensibles ou près des frontières .
Avantageusement, chaque antenne du réseau a une impédance terminale égale a son impédance caractéristique de manière à rayonner des ondes progressives, ce qui confère une large bande passante a l'antenne. Par ailleurs, plus le nombre d'antennes du reseau est eleve, plus la bande passante du reseau est large.
Le réseau peut ainsi avoir une très large bande 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 propagation en zones rurales et urbaines.
Le reseau 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 ayant une impédance égale a 1 ' 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.
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 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 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 peuvent être en partie confondus.
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 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 impédance caractéristique comprise entre 200 Ω environ et 500 Ω 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 environ .
Selon une autre caractéristique de l'invention, le reseau peut comprendre au moins un moyen d'alimentation en puissance ayant des bornes reliées 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 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.
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 a titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels :
- la figure 1 est une vue de face verticale schématique montrant partiellement une première antenne et une dernière antenne d'un réseau selon 1 ' invention ;
- la figure 2 est une vue de face verticale schématique d'un reseau comprenant deux antennes reliées entre elles selon une première réalisation de 1 ' invention ;
- la figure 3 est une vue de face verticale schématique d'un reseau comprenant deux antennes reliées entre elles selon une deuxième réalisation de 1 ' invention ; - la figure 4 est une vue de face verticale schématique illustrant la puissance rayonnee par 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 a une antenne selon l'invention ; et
- la figure 6 est un schéma analogue a la figure 1 pour adapter la connexion d'un émetteur à une antenne en fonction de l'impédance caractéristique de 1 ' émetteur .
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 reseau d'antennes comprend en outre au moins un moyen d'interconnexion entre deux antennes consécutives. Plus précisément, le nombre des antennes du réseau excède de un le nombre des moyens d'interconnexion du réseau. Des éléments communs a chacune des antennes à onde de sol du réseau sont décrits par la suite en référence a la figure 1.
Une antenne à onde de sol selon l'invention rayonnant avec une longueur d'onde utile λ, d'émission ou de réception, sensiblement kilométrique ou sensiblement hectometrique comprend essentiellement un plan de masse métallique PM sensiblement horizontal et une ligne d'excitation métallique LE sensiblement horizontale.
Le plan de masse PM est enfoui à proximité et sous la surface du sol S a une épaisseur de terre e de quelques dizaines de centimètres, typiquement 50 cm environ sous la surface du sol. Par exemple, le 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 a celle de la ligne d'excitation LE et présente une largueur de l'ordre de 1 m pour une longueur sensiblement égale a celle de la ligne d'excitation. Ainsi, le plan de masse occupe une surface au sol de quelques dizaines de mètres carrés a quelques centaines de mètres carrés. Le contour du 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 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 naturel qu'est la terre. Selon un premier exemple, le plan de masse est constitue 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 électrique entre les tôles et la terre. Selon un deuxième exemple, le plan de masse est un treillis métallique. Le treillis est compose de fils de fer avec des mailles par exemple carrées ayant un côte petit par rapport a la longueur d'onde utile λ, par exemple compris entre λ/20 environ et λ/10 environ. Le treillis métallique peut être aussi forme au moins partiellement par des armatures noyées dans du béton, par exemple le béton arme d'une dalle ou de toute autre structure souterraine existante ou a 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 sensiblement horizontalement au-dessus de la surface du sol S a une hauteur h et au-dessus du plan de masse PM a une hauteur H. La hauteur H est en gênerai comprise entre 1 m environ et 3 m environ et la hauteur h est déduite de H-e. Pour les longueurs d'onde kilométriques et hectometπques, la ligne d'excitation LE a une longueur supérieure a 25 m environ. La ligne d'excitation et le plan de masse sont superposes de telle manière qu'ils soient centres régulièrement sur un axe commun vertical. L'enfouissement du plan de masse PM dans le sol S sous-jacent a la ligne d'excitation LE légèrement au- dessus du sol rend l'antenne de sol quasiment invisible et discrète notamment en milieu urbain, comparativement a une antenne pylône. La ligne d'excitation LE a une longueur LLE sensiblement de l'ordre d'une demi-longueur d'onde utile λ/2 de l'antenne. La longueur LLE est en général comprise entre un rapport de 45/100 environ a 65/100 environ avec la longueur d'onde rayonnée par la ligne d'excitation, soit entre 0,45 λ et 0,65 λ, et de préférence égale à 0,57 λ.
La ligne d'excitation LE est par exemple soutenue dans un plan horizontal au-dessus du sol S à 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 a 5 m. Chaque poteau PI est par exemple en bois ou en matière plastique . 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 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 superposes ou parallèles, distants de quelques dizaines de 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 conduit a 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 plusieurs fils métalliques parallèles équirépartis 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 repartis 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 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 reseau sont reliées les 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 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 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 a une antenne, et les autres antennes du reseau sont reliées chacune à deux antennes.
Dans la figure 1, le moyen d'alimentation en puissance AP a des bornes filaires fl et f2 reliées à la première antenne et l'élément de terminaison ET est relié à la dernière antenne partiellement représentée. 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 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 relie à la première antenne du réseau. 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 reseau d'antennes, et un câble d'alimentation. Comme montré schématiquement a la figure 1, deux fils fl 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 LE.
En outre, une impédance caractéristique de l'antenne de sol de l'ordre de 450 Ω environ est compatible avec un amplificateur de type transformateur torique 1/9 en sortie de l'émetteur dont l'impédance de sortie est faible de l'ordre de 50 Ω environ.
Selon une première réalisation montrée à la figure 2, le moyen d'interconnexion entre deux antennes consécutives du reseau comprend une ligne de retour souterraine LR et des premier et deuxième éléments de raccordement métalliques ERl et ER2 qui sont reliés respectivement à une première ligne d'excitation LEl d'une première antenne et à une deuxième ligne d'excitation LE2 d'une deuxième 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 PMl relatif a la première ligne d'excitation LEl. La ligne de retour LR a la particularité d'être non rayonnante et d'avoir une impédance caractéristique égale a celle des lignes d'excitation.
Le premier élément de raccordement ERl a une extrémité supérieure ERIs soudée à l'une des extrémités de la première ligne d'excitation LEl, et une extrémité inférieure ERIi soudée a l'une des extrémités de la ligne de retour LR qui est située a une distance a du plan de masse PMl sous la surface du sol S. Par exemple, la hauteur du premier élément de raccordement ERl est de H + a = 2,9 m, et la première ligne d'excitation LEl est à une hauteur h =
2,5 m au-dessus du sol S.
L'autre extrémité de la ligne de retour LR est soudée a une extrémité inférieure ER2i du deuxième 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 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 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 maîtrise puisque les lignes de champs issues de la ligne de retour sont confinées vers le plan de masse. 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 de masse PM. Le rayonnement parasite de la ligne de retour est alors totalement élimine 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 voisines. La ligne de retour peut alors être une ligne coaxiale transportant une puissance élevée.
Les éléments de raccordement ERl et ER2, la ligne de retour LR et les lignes d'excitation LEl et LE2 peuvent être de même nature, tels que des tiges 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 ERl et ER2 traversent la terre sont attachés respectivement aux extrémités du moyen de confinement des lignes de champs CLC et traversent les plans de masse PMl et PM2 via des petits trous ménagés à cet effet, le diamètre des isolateurs étant légèrement supérieur à celui des éléments de raccordement.
La figure 2 montre une configuration du reseau à seulement deux antennes qui rayonnent suivant des directions opposées. Les extrémités d'attaque par le courant des deux antennes peuvent être très proches. Ce type de configuration du réseau peut être étendu a 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 rayonnement sensiblement "omnidirectionnel" . Selon d'autres exemples, une direction principale de rayonnement d'onde de sol du reseau est définie le long d'un axe de sensible alignement des lignes d'excitation ou de sensible symétrie des lignes d'excitation disposées côte à côte et sensiblement parallèles .
Selon une deuxième réalisation montrée à la figure 3, le moyen d'interconnexion entre deux antennes consécutives du reseau comprend un transformateur TRA dont les extrémités sont reliées à des première et deuxième lignes d'excitation LEl et LE2 des deux antennes consécutives via des lignes de transition de même nature que les lignes d'excitation.
Le transformateur TRA peut être situe au-dessus du sol S, ou bien enterre à proximité du sol. Dans ce dernier cas, le transformateur et les lignes de transition sont placés dans la terre à l'intérieur d'isolateurs qui peuvent être en porcelaine.
La figure 3 montre une configuration du reseau a seulement deux antennes qui rayonnent par exemple suivant la même direction. Dans cet exemple, les plans de masse PMl et PM2 des deux antennes peuvent ne constituer qu'un seul plan de masse. Ce type de configuration du reseau peut être étendu a 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 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 optimise par une remise en phase de chacune des antennes du reseau, comme expliqué ci-après dans le mode de fonctionnement des antennes à onde de sol du réseau.
L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites ci-dessus et a 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.
Dans les deux réalisations, le moyen d'interconnexion permet de récupérer la puissance non rayonnee par une première antenne pour alimenter une deuxième antenne consécutive à la première antenne avec cette puissance récupérée, comme montre de manière schématique a 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 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 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 antenne est proportionnel a VP, 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 : Et = VP + Vθ,9P + V0'9 x °'9P + • • • + V0'9n ~ l p •
En normalisant à 1 le premier champ électrique, on obtient par exemple pour n = 4 antennes un gain de groupement en champ électrique de 20 log (Et/ VP) = +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 . 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 . Pour la première antenne alimentée par le moyen d'alimentation AP par une puissance P, une puissance égale a 0,1 P environ est rayonnee par la ligne d'excitation LEl en onde de sol, et une puissance égale a 0,9 P environ est récupérée pour alimenter la deuxième antenne. De la même manière, une puissance égale à 0,09 P environ est rayonnee 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 égale a 0,9 xθ,l P environ est rayonnee par la ligne d'excitation LEn d'une dernière antenne du réseau en onde de sol, et seulement une puissance environ égale a 0,9 P est perdue.
La ligne d'excitation LEn de la dernière antenne est terminée sur une charge d'impédance Zc égale a 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 a une première ligne d'excitation soit vue comme une charge d'impédance Zc pour la première ligne d' excitation .
Le mode de fonctionnement de chaque antenne de sol selon l'invention repose sur l'excitation du sol par la ligne 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 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 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 nécessaire pour générer l'onde dans le sol est de préférence une bande métallique dont la largeur est sensiblement égale a 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 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 sol S de manière a injecter un courant eleve a 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 particulièrement dans la réactance capacitive de 1 ' antenne .
En se basant sur l'optique géométrique, on montre que l'antenne de sol est le siège de deux 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 constitues par l'air et la terre montre que dans chacun des deux milieux :
- une onde transverse électrique ne se propage que si la longueur d'onde est inférieure a la longueur d'onde de coupure suivante : λc = 4 eVN2 - 1 , et - une onde transverse magnétique peut exister quelle que soit l'épaisseur e de la terre diélectrique .
La constante d'atténuation α exprimant la décroissance exponentielle de l'onde de sol au-dessus de la terre diélectrique donnée par : α = 4 π2 e (K - 1) / (λ2 K) , ou K est la constante diélectrique relative entre les deux milieux constitués par l'air et la terre . On désigne par A exp(-αx) 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/α la hauteur pour laquelle la valeur relative de l'amplitude de l'onde de sol est passée de 1 à 1/e, e désigne ici le nombre exponentiel, ce qui correspond a 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 sol, est également reçue en hauteur avec une qualité acceptable pour une hauteur inférieure à 1000 m, et n'atteint pas la couche ionosphérique .
L'onde evanescente accompagne l'onde captive, et a un grand intérêt pour la diffusion puisqu'elle est 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 d'indices de refraction, de milieux, de dimensions ou d' obstacles .
L'évaluation de l'énergie rayonnee peut être effectuée sur un modèle simple constitue de deux milieux d'indices de réfraction Ni et N2 et d'atténuation ai et 0(2. On montre que le coefficient de transmission T de l'onde de surface a 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 : T = 2 [ (ai «2) / (ai + «2) ] •
La présence de la discontinuité provoque alors une perte d'énergie rayonnee que l'on peut évaluer à:
2 2 2 2
D = 1 - T = (ai - 0C2) I (ai + 0.2) .
Chaque antenne de sol du réseau selon l'invention réside sur ce principe. Comme le montre les équations précédentes, toute variation d'un indice de réfraction Ni ou N2, ou de l'épaisseur e, provoque une atténuation différente et donc un rayonnement différent. L'antenne exploite la discontinuité entre l'air et le sol et rayonne ainsi grâce à la principale discontinuité, indiquée en D dans la figure 1, créée a 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 tire parti de la bonne conduction électrique de la 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 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 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.
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- 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 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 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 est perpendiculaire à cette surface, sans composante 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 prépondérante a 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 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. 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 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. 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. En inversant la phase à l'extrémité d'une ligne de longueur optimisée, c'est-a-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 moyen d'interconnexion tel que décrit précédemment, afin de sommer les rayonnements des deux lignes et améliorer la directivité.
Pour conférer une large bande passante a l'antenne, la ligne d'excitation de l'antenne doit être terminée par une charge terminale adaptée dont l'impédance est égale a l'impédance caractéristique de la ligne d'excitation, afin de passer à un régime d'ondes progressives, autorisant ainsi qu'un seul 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 ferme équivalent à celui d'une seule antenne, l'impédance de rayonnement Zant de l'antenne est sensiblement égale à l'impédance caractéristique de l'antenne, par exemple comprise entre 200 Ω et 500 Ω, et la longueur LLE de la ligne d'excitation LE est de l'ordre de la demi-longueur d'onde λ/2. L'impédance de rayonnement Zant de l'antenne est l'impédance 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 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 a une extrémité LEd, entre cette extrémité et le plan de masse PM. 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) . 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). L'impédance ZLEg ramenée à l'extrémité LEg de la ligne horizontale par transformation de l'impédance terminale Zt est:
ZLEg = ZLE (Zt + J ZLE tg ( βLLE) ) / ( ZLE + j Zt tg(βLLE) ) , soit pour ZLE = Zt, ZLEg = ZLE, avec β = 2π/λ = 2πF/c, c étant la vitesse de la lumière .
Par conséquent, l'impédance ramenée est indépendante de la longueur de la ligne et de la 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: ZZaanntt == = ZzEELL (ZLEg + j ZEL tg(βH))/(ZEL + j ZLEg tg (βH)),
Soit
Zant = = zEL (ZLE + j ZEL tg(βH))/(ZEL + j ZLE tg (βH)) .
LLaa hhaauutteeuurr H étant faible devant la longueur d'onde λ, l'impédance de rayonnement Zant de 1 ' antenne devient : zant = 2LE-
Cette égalité confirme que chaque antenne est à 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 . 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 Ω et ZEL = 265 Ω. Pour une longueur totale de ligne égale à 100 m terminée par une charge de 450 Ω, en utilisant un amplificateur de type transformateur torique 1/9 sans perte en sortie d'un générateur de 50 Ω, une bande passante supérieure à 300 kHz a été mesurée dans la 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 haute fréquence calibrée. Un courant de 8,9 mA est alors mesuré dans la charge de 450 Ω, 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 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 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 Ω environ et est donc très inférieure à l'impédance caractéristique de la ligne, c'est-à-dire de la charge, et n'entre donc 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 Ω, et une puissance rayonnée de +0,5 dBm, le rendement du réseau d'antenne est plus élevé pour une longueur d'onde comprise entre 0,45 λ et 0,65 λ, et passe par un maximum pour une longueur d'onde égale à 0,57 λ. 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 mesure a une distance de 1100 m du reseau d'antennes atteint une valeur de 42 dBuV/m pour une fréquence de 1705 kHz, soit une longueur de ligne égale a 0,57 λ avec λ = 176 m.
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. 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 : Gv = 60 I/r < 7000 V/cm.
Pour une ligne de diamètre 12 mm, le courant maximum serait de 70 A, ce qui correspond a une puissance maximale d'environ 160 kW pour une ligne d'impédance égale à 330 Ω. Si la ligne d'excitation 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 de la longueur de la ligne d'excitation de chaque antenne du reseau, ce dernier comprend optionnellement un moyen de remise en phase entre les deux antennes de chaque couple d'antennes consécutives du reseau afin de remettre en phase les ondes rayonnées par les deux antennes et de maximiser ainsi le gain du réseau.
Selon la disposition des antennes du reseau, le moyen de remise en phase peut être une ligne de retour souterraine LR ou un transformateur TRA inverseur de phase, éventuellement associé a une capacité ou une self.
Dans un premier exemple, une première antenne a une ligne d'excitation sensiblement rectiligne et 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 tourne de 180°. Une ligne de retour souterraine reliant la ligne d'excitation de la première antenne a la ligne d'excitation d'une 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 antenne.
Dans un deuxième exemple, une première antenne a une ligne d'excitation ayant une longueur égale a 0,57 λ. La phase du courant à l'extrémité de la ligne d'excitation a tourne de 205°. Une ligne de retour 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 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 entre deux poteaux consécutifs conférant une longueur supplémentaire a 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 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 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. 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 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 par exemple de programmes radiophoniques numériques qui peuvent être multiplexes en entrée du réseau d'antennes. Les antennes du reseau ont alors des longueurs différentes afin qu'elles diffusent respectivement les signaux dans des bandes de 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, ou bien une antenne de réception pour recevoir une 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 1 ' ionosphère .

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 de manière rectiligne 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, chaque antenne ayant une impédance terminale égale à son impédance caractéristique.
2 - Réseau d'antennes conforme à la revendication 1, comprenant une charge terminale (Zt) entre une extrémité de la ligne d'excitation (LEl) d'une antenne du réseau et un plan de masse (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 antenne du réseau par un moyen d'interconnexion (LR, TRA) .
3 - Réseau d'antennes conforme à la revendication 1 ou 2, dans lequel le moyen d'interconnexion comprend une ligne de retour souterraine (LR) .
4 - Réseau d'antennes conforme à la revendication 1 ou 2, dans lequel le moyen d'interconnexion comprend un transformateur (TRA) .
30 5 - Réseau d'antennes conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant un moyen (LR, TRA) pour remettre en phase les ondes rayonnées par deux antennes consécutives et reliées entre elles.
6 - Réseau d'antennes conforme à la revendication 5, dans lequel le moyen pour remettre en phase comprend une ligne de retour souterraine inverseuse de phase (LR) .
7 - Réseau d'antennes conforme à la revendication 5, dans lequel le moyen pour remettre en phase comprend un transformateur inverseur de phase (TRA) .
8 - Réseau d'antennes conforme à l'une quelconque des revendications 5 à 6, dans lequel au moins un moyen d'interconnexion et au moins un moyen de remise en phase sont en partie confondus.
9 - Réseau d'antennes conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant des poteaux isolants sensiblement verticaux (PI) pour soutenir la ligne d'excitation (LE) de chaque antenne au-dessus du sol (S) .
10 - Réseau d'antennes conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la ligne d'excitation (LE) de chaque antenne a une longueur dans un rapport avec la longueur d'onde rayonnée par la ligne d'excitation compris entre 45/100 environ et 65/100 environ.
31 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 impédance caractéristique comprise entre 200 Ω environ et 500 Ω environ.
12 - Réseau d'antennes conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant au moins un moyen d'alimentation en puissance (AP) ayant des bornes (fl, f2) reliées respectivement à la ligne d'excitation (LEl) et au plan de masse (PM) d'une antenne du réseau et apte à fournir une puissance supérieure à 100 kW environ.
13 - Réseau d'antennes conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel des antennes ont des longueurs différentes et comprenant plusieurs moyens d'alimentation pour fournir des signaux dans des bandes de fréquence différentes diffusés respectivement par les antennes de longueurs différentes .
32
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