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1 324657
.. .
Anten ne omnidirectio elle, notamment pour l'émission de signaux de
radiodiffusion ou de télévision dans labande de~ onde~ decimétriques,
et système rayonnant fonné d'un groupement de ces antenn~
La présente invention concerne une antenne omnidirectionnelle.
Cette antenne s'applique particulièrement à l'émission de signaw~ de
radiodiffusion ou de télévision dans la bande des ondes décimétriques
(bande dite UHF), où l'on verra qu'elle procure des avantages
10 particulièrement intéressants.
L'invention n'est cependant limitée ni à cette application ni à cette
bande de fréquences, et pourrait aussi bien convenir à une très grande
diversité de situations différentes.
Pour les antennes de radiodiffusion ou de télévision, on doit disposer
(sauf exception) d'un système rayonnant ayant un diagramme le plus
omnidirectionnel possible (par "diagramme omnidirectionnel", on
entendra un diagramme ne présentant pas de creux inférieur a 3 dB sur
360)
ao Ce système qui doit en outre présenter des caractéristiques mécaniques
de compacité et de légéreté permettant de le placer au sommet d'un pylône
en minimisant aussi bien la charge statique (poids propre du système
rayonnant) que dynamique (prise au vent) supportées par celui-ci
On utilise le plus souvent, à cet effet, un système d'antenne dit "antenne
à panneaux", constitué à partir d'éléments rayonnants formés chacun
d'un dipôle placé devant un réflecteur, le dipôle étant orienté
verticalement ou horizontalement selon la polarisation souhaitée
Un tel élément rayonnant étant un élément à gain, donc directif, il est
nécessaire d'en grouper quatre, disposés à 90 les uns des autres, pour
obtenir le diagramme omnidirectionnel voulu
Pour augmenter la puissance admissible, on superpose généralement
une pluralité de ces éléments rayonnants (le plus souvent deux, quatre ou
huit éléments rayonnants) de manière à former des panneau~
rayonnants, le réflecteur étant le plus souvent commun
Chaque panneau est alimenté séparément avec même phase et même
puissance que tous les autres (à moins que l'on ne veuille jouer sur la
forme du diagramme en introduisant des déphasages ou des variations de
puissance) au moyen d'un ensemUe répartiteur
Cette configuration, bien que fonctionnant de maniare satisfaisante sur
un très grand nombre de stations émettrices actuelles, présente un
certain nombre d'inconvénients
Tout d'abord, il est nécessaire de prévoir, au sommet du pylône
46 proprement dit, un pylonet permettant de disposer convenablement les
~
q~ , . .
, .
2 1 324657
éléments rayon~lants superposés formant les quatre faces rayonnantes de
la configuration.
Ce pylonet doit satisfaire deu~ conditions an~nomiques:
--en premier lieu, il doit être dimensionné de facon suffisante afin de
permettre la mise en place des alimentaaons de chaque panneau et
le passage d'un homme au centre de la configuration pour pouvoir
en assurer la maintenance: on a vu en effet que chaque élément
rayonnant était alimenté par un coaxial d'alimentation propre et,
comme ce coaxial doit nécessairement être placé derrière le
panneau réflecteur de l'élément rayonnant pour ne pas perturber le
fonctionnement de celui-ci, le faisceau de câbles coaxiaux devra
passer à l'intérieur du pylonet, qui devra donc avoir une taille
1~ suffisante (pour des faces à huit éléments rayonnants superposés,
on a ainsi 32 coaxiaux à faire passer dans ce pylonet).
Pour cette commodité d'installation, et également pour une bonne
rigidité mécanique, il est donc souhaitable que la structure du
pylonet soit la plus large possible.
--en second lieu, du point de vue radio-électrique, les creux du
diagramme iront en s'accentuant au fur et à mesure que les centres
de phase des éléments rayonnants vont aller en s'éloignant.
Pour obtenir le diagramme le plus régulier qui soit, il est donc
souhaitable de rapprocher autant que possible les éléments
rayonnants de chaque groupe, donc de prévoir une section de pylonet
la plus faible possible (limitée cependant par la dimension minimale
de3 réflecteurs).
Pour réduire au minimum la charge statique et la charge
dynamique mentionnées plus haut, il est également souhaitable de
réduire au minimum la section du p~lonet, d'autant plus que
l'ensemble rayonnant doit être protégé par un radôme dont la taille,
compte tenu de la dimension des éléments rayonnants, va présenter
une surface de prise au vent très importante et va donc solliciter
d'autant plus le pylône.
Un autre inconvénient de ce type d'antenne résulte de la complexité de
son système d'alimentation (chacun des éléments rayonnants devant être
alimenté par un coaxial propre, comme indiqué plus haut), ce qui oblige à
40 prévoir un grand nombre de coaxiaux d'alimentation secondaires et de
boîtes de raccordement; le prix de revient d'un tel système d'antenne va
ainsi croître très vite avec le nombre d'éléments rayonnants.
.
De plus, les pertes vont augmenter rapidement, tant en raison de la
46 multiplication des boîtes de raccordement que de l'allongement des
, ..
: :
r, ~ c . ~.
3 1 324657 :
coaxiaux d'alimentation secondaire; typiquement, pour un système
rayonnant à panneaux de huit éléments rayonnants superposés
dimensionnés pour la bande 470-860 MHz, la hauteur du pylonet, et donc
des coaxiaux les plus longs, est de l'ordre de 12 mètres, ce qui crée des
5 pertes non négligeables dans une telle gamme de fréquences.
On aboutit ainsi, typiquement, à des sections de pylonet de l'ordre de
0,8 ~ 0,8 m et des diamètres de radôme de l'ordre du mètre pour des
émissions dans la bande des 470-860 MHz, un groupe de quatre panneau~
avec son radôme ayant une masse propre de 350 à 400 kg et présentant une
surface au vent de l'ordre de 1,3 m2.
Un autre type d'antenne convenant à l'usage précité, bien que moins
utilisé, est l'antenne dite "supertourniquet".
Dans ce type d'antenne, pour obtenir le diagramme omnidirectionnel
souhaité, on utilise le principe du champ tournant, l'élément rayonnant
étant alors constitué de deux "ailes de chauve-souris" planes, verticales et
perpendiculaires entre elles, se croisant en leur centre et déphasée de 90
l'une par rapport à l'autre.
2D On superpose ainsi un nombre élevé d'éléments rayonnants, chaque
élément rayonnant étant alimenté séparément grâce à un système
répartiteur commun, et les deux dipôles formés par les "ailes de chauve-
souris" de chaque élément rayonnant étant alimentées en quadrature de
manière apériodique par un coupleur 3 dB.
Ce type d'antenne, bien qu'il présente un diamètre hors-tout beaucoup
plus réduit qu'un système à panneaux d'antenne du fait de l'absence de
réflecteur, et permette ainsi de réduire de façon importante le
dimensionnement du pylonet, présente cependant un certain nombre
d'inconvénients:
.... ''
--tout d'abord, la nécessité de réaliser l'alimentation apériodique en
quadrature entre les dipôles entraîne l'utilisation de coupleurs 3 dB
placés dans le champ de rayonnement, la charge d'équilibrage du
36 coupleur devant être dimensionnée en fonction de la puissance à
émettre,
--ensuite, les câbles coaxiaux d'alimentation des dipôles sont situés
dans le champ de rayonnement de l'antenne et donc perturbent le
rayonnement de celle-ci en créant des creux dans le diagramme,
--de plus, à gain égal, la hauteur totale d'antenne est supérieure à
celle d'une antenne à panneaux rayonnants, entraînant en outre
corrélativement des problèmes de compensation du diagramme en
site dans le cas des antennes à grand nombre d'éléments
rayonnants,
--enfin, le prix de revient en est élevé du fait de la complexité
mécanique, de la présence des coupleurs 3 dB et de la multiplication
4 l 324657
des câbles d'alimentation coaxiaux.
Comme on le voit donc, les deux types d'antennes utilisés jusqu'à
présent pour les émetteurs de radiodiffusion ou de télévision dans la
g,~mme des ondes décimétriques ne donnent pas entière satisfaction car
ils ne permettent pas d'atteindre simultanément les performances tant
mécaniques (compacité pour limiter la prise au vent, poids réduit,
structure simple à fabriquer) que radioélectriques (omnidirectionnalité du
diagramme, possibilité d'accepter une puissance importante)
souhaitables.
La présente invention se propose de résoudre ces inconvénients, en
proposant un nouveau type d'antenne qui, tout en présentant d'excellentes
propriétés radio-électriques, soit compacte, légère et réalisable à un coût
modique grâce à la fois à sa structure mécanique simple (absence de -
pylonet, notamment) et à la réduction à un minimum des raccordements
en câbles coaxiaux. ~ ~-
A cet effet, selon l'invention, l'antenne comporte:
aQ ' " ''~ : '
--un tube support central, vertical,
--une pluralité de réseaux rayonnants identiques, régulièrement
répartis autour du tube central et formés chacun d'une ligne :
bifilaire verticale supportant, couplant et alimentant de maniare
,?5 symétrique une pluralité de dipôles horizontawc, régulièrement
répartis le long de cett~ ligne bifilaire, et
--un systame de distribution de puissance équiphase équipuissance
alimentant identiquement et simultanément les réseaux
rayonnants à partir d'une ligne d'alimentation coaxiale unique.
3~ ,:
Selon un certain nombre de caractéristiques avantageuses: ~
. . .
--les réseaux rayonnants sont au nombre de trois;
--chaque réseau rayonnant comporte quatre dipôles horizontau~
--les dipôles sont du type demi-onde raccourcie, calculée sur la
fréquence centrale de fonctionnement de l'antenne avec un
coefficient de raccourcissement de 0,9 environ, la distance entre
deux dipôles superposés consécutifs est d'une demi-onds raccourcie,
calculée pour la fréquence centrale de fonctionnement de l'antenne
4~ avec un coefficient de raccourcissement de 0,85 environ, et la - -
distance des dipôles à l'axe central du système est d'un quart d'onde
non raccourci, calculé pour la fréquence centrale de fonctionnement
de l'antenne;
--le système de distribution de puissance est entièrement logé à
46 l'intérieur du tube support central; ~:
':. .'
: :.
. .
- .. ~. . . - .
- ' ::- ':'..
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--la ligne bifilaire comporte une moitié inférieure et une moitié
supérieure, chacune des ces moitiés étant excitée en un point situé à
mi-hauteur par une ligne coaxiale passant à l'intér~eur de l'un des
conducteurs de la ligne bifilaire, cette ligne étant elle-même reliée
au système de distribution de puissance situé dans le tube support
central approximativement au niveau du raccordement des deux
moitiés de chaque ligne bifilaire;
--chaque branche du dipôle présente une courbure sensiblement
circulaire dont le centre de courbure se situe approximativement
sur l'axe central de l'antenne.
L'invention a également pour objet un système rayonnant formé d'une
pluralité d'antennes de ce type, ces antennes étant superposées et
alimentées distinctement par des coaxiaux propres reliés à un répartiteur
15 commun
De préférence, chaque antenne est alors enfermée dans un radôme
étanche, sensiblement cylindrique, autoporteur et superposable.
aD D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la
lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en réference aux
dessins annexés sur lesquels:
--la figure 1 est une vue perspective d'un ensemble rayonnant
constituant l'antenne selon l'invention,
--la figure 2 montre une pluralité de reS ensembles rayonnants,
superposés et couplés de manière à accroître la puissance rayonnée,
l'ensemble étant protégé par un radôme extérieur,
--la figure 3 est une coupe selon la ligne III-III de la figure 2,
montrant l'ensemble rayonnant de la présente invention vu de
dessus,
--la figure 4 est une vue en élévation, partiellement en coupe, de
l'ensemble rayonnant de la figure 1,
--la figure 5 est une vue de face, prise selon la direction V-V de la
figure 4, de l'un des trois réseaux rayonnants que comporte cet
ensemble rayonnant,
--la figure 6 est une vue de dessus, en coupe selon la ligne VI-VI de la
ffgure 4, montrant le détail de la première section du coaxial
d'alimentation du réseau rayonnant,
4~ --la figure 7 est une vue de face, en coupe, correspondant à la région
repérée VII sur la figure 5, montrant plus en détail l'une des deux
branches constituant la seconde section de ce coaxial
d'alimentation,
--la figure 8 est un diagramme en azimut relevé pour une antenne
46 selon l'invention, montrant le caractère omnidirectionnel du
diagramme de celle-ci,
.::
,,, ',~ '
6 1 324657
--la figure 9 et le diagramme en site correspondant à cette même
antenne, et
--la figure 10 est une comparaison des diagrammes en azirnut que
l'on aurait pour deux antennes similaires dont l'une comporterait
trois réseaux rayonnants à 120 (comme sur les figures 1 à 7), et
l'autre quatre réseaux rayonnants à 90. -
Les mêmes références numériques renvoient, sur toutes les figures, à
des éléments semblables.
'"`~ ' ''
La figure 1 montre la structure générale d'un ensemble rayonnant
constituant l'antenne selon l'invention: celui-ci comprend
essentiellement un tube support central 100, vertical, pourvu en partie
inférieure et en partie supérieure de plaques de fixation, respectivement
110 et 120, permettant d'assembler bout à bout plusieurs tubes supports
superposés--et donc une pluralité d'ensembles rayonnants identiques-- -~
afin d'augmenter la puissance rayonnée totale. -
Autour de ce tube support sont disposés à 120 les uns des autres trois
réseaux rayonnants identiques 200, comportant chacun une ligne bifilaire
2~ verticale à deux conducteurs parallèles 210,210' supportant une pluralité
de dipôles horizontaux 220,220' (quatre dans l'e~emple représenté)
régulièrement répartis le long de cette ligne bifilaire.
L'alimentation radioélectrique, qui est amenée en 310 par un câble
coaxial arrivant à la base de l'antenne--donc dans une zone qui
perturbera peu le diagramme de rayonnement--, passe (en restant en
coaxial) à l'intérieur du tube support 120, puis est distribuée (toujours en
coaxial) à chacun des trois réseaux rayonnants en passant à l'intérieur
d'un tube horizontal 340, monté à mi-hauteur du tube central 100, qui
as~ure également le maintien mécanique de ces réseaux rayonnants en
combinai~on avec les bra~ eupports 130,140 en partie haute et en partie
basse. .
Comme on le voit, l'alimentation et la distribution d'énergie
radioélectrique sont entièrement internes à la structure de l'antenne, ce
qui élimine tout possibilité de perturbation du diagramme du fait de la
présence physique de lignes d'alimentation dans le champ de
rayonnement, comme dans le cas des antennes de l'art antérieur.
De façon caractéristique, l'antenne ne comporte pas de panneau
réflecteur. - -
Pour augmenter la puissance rayonnée, on peut superposer (figure 2) ~:
une pluralité de modules 10 formés chacun d'un ensemble rayonnant 11 ; :
semblable à celui illustré sur la figure 1 et alimenté par un coa~ial 12 relié
à un distributeur en partie basse de l'antenne, et d'un radôme cylindrique
4~ de protection 13. L'ensemble est placé au sommet d'un pylône 14, le - .
,.: ,''"'
....: .:
7 l 324657 ~
module supérieur étant fermé par un couvercle 5 et éventuellement
surmonté d'un paratonnerre (non représenté), comme cela est bien
connu. :
Le radôme 13 (figures 2 et 3) est un cylindre en polyester armé pourvu à
5 chacune de ses extrémités de collerettes 16,17 destinées à l'assemblage des
dif~érents modules superposés, permettant de réaliser ainsi un radôme
autoporteur, ce qui en simplifie grandement la réalisation mécanique.
L'ensemble du système est bien entendu étanche au ruissellement.
Les figures 4 à 6 décrivent plus en détail la structure de l'ensemble
rayonnant selon l'invention, notamment de l'alimentation des trois
réseaux de dipôles.
L'alimentation radioélectrique, raccordée en 310, est amenée jusqu'à
mi-hauteur du tube central 100, à l'intérieur de celui-ci, par une ligne
coaxiale 320 (le conducteur de retour étant formé par la paroi même du
tube support) comportant une pluralité de sections 321 à 325 de diamètres
croissants formant transformateur d'impédance quart d'onde, et
maintenus centralement à l'intérieur du tube support 1 00 par des
entretoises 326,327.
aD L'alimentation est ensuite distribuée entre les trois réseaux rayonnants
par répartition équiphase équipuissance, toujours par une liaison
coaxiale.
La liaison coaxiale 330,340 alimentant chacun des réseaux rayonnants
est constituée (figure 6) d'un conducteur 332, maintenu à l'intérieur d'un
tube 341 par des entretoises 333, et dont l'une des extrémités 331 est reliée
à la ligne commune centrale 320.
Ce tube 341 constitue à la fois le conducteur de retour de la ligne
coaxiale et un support mécanique reliant le réseau rayonnant au tube
support central; à cet effet, ce tube 341 est pourvu à l'une de ses
3~) extrémités d'une liaison 342 à une pièce 150 solidaire du tube central, et à
son autre extrémité d'une pièce 343 supportant les deux conducteurs
210,210' de la ligne bifilaire, qui s'étendent de part et d'autre de cette pièce343 tfigure 7), et sont constitués de tubes creux en matériau conducteur,
par exemple fixés par brasure.
L'âme 332 de la ligne coaxiale est ensuite reliée à un élément
répartiteur 334 qui alimente de manière symétrique la branche
supérieure et la branche inférieure de l'un des conducteurs (sur les
dessins, le conducteur 210') de la ligne bifilaire, l'autre conducteur (le
conducteur 210) étant relié à la masse commune.
Pour cela, l'âme du coaxial se prolonge à l'intérieur du conducteur 210
jusqu'à un point 339 situé environ à mi-hauteur de chacune des deux
branches supérieure et inférieure (ce point 339, qui sera le point
d'excitation de la ligne bifilaire, est repéré en P sur les figures 4 et 5).
A cet effet, on prévoit, entre ce point 339 et le répartiteur 334, un
conducteur, réalisé en deux sections 335,336 de diamètres croissants de
manière à faire office de transformateur d'impédance, ces deux sections
. . .
: . , .
.,- .. . .
~. , ., .. ,... , .. . s~
8 1 324657
étant maintenues à l'intérieur du conducteur 210 par des entretoises 337.
L'extrémité de la ligne d'alimentation traverse alors le conducteur 210 en
211 pour venir e~citer le conducteur 210' en 339 par l'intermédiaire d'une
pièce transversale de raccordement 338.
6 Ainsi, comme on peut le voir, l'alimentation est entièrement coaxiale
depuis le connecteur d'entrée 310 jusqu'au point d'excitation P, ce système
d'alimentation coaxial étant en outre entièrement contenu à l'intérieur de
la structure porteuse de l'antenne (qui joue donc un double rôle
mécanique et électrique).
La ligne bifilaire porte une pluralité de dipôles 220,220' qui vont ainsi
être alimentés symétriquement et constitue les organes rayonnants
proprement dit de l'antenne.
Les dipôles 220,220' utilisés sont du type demi-onde raccourcie, calculée
sur la fréquence centrale de fonctionnement de l'antenne avec un
coefficient de raccourcissement de 0,9 environ.
La distance entre deux dipôles superposés consécutifs est d'une demi- - -
onde raccourcie, calculée pour la fréquence centrale de fonctionnement de
l'antenne avec un coefficient de raccourcissement de 0,85 environ.
~) La distance des dipôles à l'axe central du système est d'un quart d'onde,
non raccourcie, calculée pour la fréquence centrale de fonctionnement de
l'antenne.
L'impédance ramenée au niveau du point d'excitation P, c'est-à-dire du
raccordement des lignes bifilaires alimentant les dipôles est de 50 n,
l'alimentation s'effectuant par les lignes coaxiales pour lesquelles on
conserve une impédance constante de 60 n grace au système de
transformateurs à lignes quart d'onde exposée plus haut.
~30 On notera que les extrémités de la ligne bifilaire correspondent à des
noeuds d'intensité, et peuvent donc être mis à la masse directement par
Ies entretoises 130,140, qui assurent en outre le maintien mécanique de ~-
I'ensemble. -:
L'ensemble peut être réalisé en tube de cuivre ou d'alliage cuivreux et ~ -
assemblé par brasure, ce qui en rend la réalisation mécanique
particulièrement simple. -- ... ~.
Du point de we électrique, l'antenne ainsi constituée se compose donc
de quatre couronnes superposées (telles que celles visibles sur la figure 3~,
formées chacune de trois dipôles placés horizontalement à 120 l'un de
l'autre sur les trois côtés d'un triangle équilatéral, et alimentés en phase
avec une puissance égale.
Une telle configuration procure, sans l'aide d'aucun réflecteur, un
diagramme quasi-omnidirectionnel, comme on peut le voir sur la figure
. .- .
.: .
9 l 324657
8, qui représente un diagramme en azimut relevé pour une antenne
comportant un élément tel que celui illustré sur les figures 4 à 7 et que
l'on vient de décrire, calculé pour une fréquence centrale de
fonctionnement de 520 MHz: comme on peut le constater, le diagramme
5 est omnidirectionnel à 0,9 dB près.
La figure 9 montre le relevé du diagramme en site, dont la forme
convient tout à fait à une antenne de radiodiffusion ou de télévision.
En ce qui concerne les performances électriques, on a pu constater que
l'antenne permet de rayonner sans dommage une puissance de l'ordre de
~ à 7 kW, cette puissance pouvant bien entendu être multipliée en
superposant plusieurs ensembles rayonnants identiques.
L'impédance, comme on l'a indiqué plus haut, est de 50 Q, le gain de
15 ~ dB est le rapport d'ondes stationnaires moyen de 1,15.
En ce qui concerne les performances mécaniques, pour des antennes
fonctionnant dans la bande 460-860 MHz, les ensembles rayonnants sont
enfermés dans des radômes de 0,54 m de diamètre et de 1,16 m de haut
20 présentant une surface au vent de 0,63 m2 (à comparer à une surface de
prise au vent de l'ordre de 1,35 m2 pour une antenne fonctionnant dans la
même gamme, mais réalisée à partir de panneaux d'antenne, comme
décrit dans l'introduction de la présente description), et un module
complet (radôme plus ensembles rayonnants) à une masse d'environ
40 kg (contre 375 kg dans le cas d'une antenne à panneaux).
Le choix consistant à grouper des réseaux de dipôles au nombre de trois
n'est pas limitatif, mais il est particulièrement avantageux.
En effet, si l'on augmente le nombre de réseaux, les extrémités
30 adjacentes de3 dipôles d'une même couronne vont se trouver de plus en
plus rapproché~, ce qui va augmenter leur couplage mutuel et accentuer
les creux du diagramme.
La figure 10 illustre ce phénomène: on y a représenté le diagramme en
azimut D4 relévé pour un système à 4 réseaux, à comparer au diagramme
35 D 3 pour le système à trois réseaux faisant l'objet de la présente
description: on constate que les creux maximaux sont maintenant d'au
moins 2 dB au lieu de 0,9 dB dans l'autre cas.
La solution à trois réseaux est donc celle qui donne le diagramme le
plus homogène.
Enfin, en variante, on peut optimiser les dipôles en modifiant leur
forme: au lieu de les prévoir rectilignes et formant les trois côtés d'un
triangle équilatéral exinscrit au cercle passant par les centres des trois
lignes bifilaires (configuration de la figure 3), on peut déformer ou courber
46 les dipôles de manière à les rapprocher du contour de ce cercle, ou même
leur faire épouser ce contour (forme illustrée en trait interrompu sur la
- lo t 324657 ::
figure 3). :
Cette amélioration permet de réduire les déphasages de rayonnement
entre les différents points du dipôle et ainsi de rendre encore plus : -:
omnidirectionnel le diagramme en azimut.
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