FR3110293A1 - Antenne active incluant un cadre blindé - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une antenne active comportant un cadre blindé, par exemple une antenne pour les communications radio et/ou les mesures de champs électromagnétiques.
Une antenne active selon l’invention comporte : un premier élément (1), le premier élément comportant un tube du premier élément (11) et une ligne de transmission (12), le premier élément étant une partie d’un cadre blindé ; un deuxième élément (2), le deuxième élément étant un conducteur électrique, le deuxième élément étant une partie du cadre blindé ; une base (3) ; un dispositif linéaire à accès unique (4) ayant, à une fréquence, une résistance et une réactance, la résistance étant supérieure à une valeur absolue de la réactance ; un filtre passif linéaire ; un amplificateur ayant une entrée et une sortie, l’entrée de l’amplificateur étant couplée à une sortie du filtre passif linéaire ; et un accès de sortie, l’accès de sortie étant couplé à la sortie de l’amplificateur.
Figure pour l’abrégé : Figure 3.
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L’invention concerne une antenne active comportant un cadre blindé, par exemple une antenne pour les communications radio et/ou les mesures de champs électromagnétiques.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les antennes de type “cadre” (appelées “loop antennas” en anglais) et de type “cadre blindé” (appelées “shielded loop antennas” en anglais) sont bien connues des spécialistes. Elles sont utilisées pour la réception radio appliquée aux mesures de champs électromagnétiques, à la radiogoniométrie et aux communications radio. Des caractéristiques et limitations de ces antennes pour ces utilisations sont expliquées dans l’article de F. Broydé et E. Clavelier intitulé “Contribution to the Theory of Planar Wire Loop Antennas Used for Reception”, publié dans la revueIEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 68, no. 3, en Mars 2020. En particulier, cet article explique dans quelle mesure il est possible de considérer que ces antennes mesurent une composante d’un champ magnétique incident, c’est-à-dire une composante magnétique d’un champ électromagnétique incident. Comme indiqué dans cet article et dans le paragraphe 5-4 du chapitre 5 du livre de R.C. Johnson intitulé “Antenna Engineering Handbook, 3rd Edition”, publié par McGraw-Hill en 1993, le blindage d’un cadre blindé fonctionne typiquement comme un cadre. Les cadres blindés utilisés pour la réception radio donnent de meilleurs résultats que les cadres non blindés, car ils ne sont pas affectés par un courant de mode commun circulant sur le câble reliant l’antenne à un appareil de mesure ou un récepteur radio, induit par un champ électromagnétique incident reçu en tant que signal, ou par des perturbations électromagnétiques.
On appelle facteur d’antenne (en anglais: antenna factor) un module d’un rapport d’une intensité d’un champ incident (exprimée en V/m pour un champ électrique ou en A/m pour un champ magnétique) sur une tension développée par une antenne aux bornes d’une impédance spécifiée. Pour les mesures de champs électromagnétiques, on préfère souvent, quand c’est possible, utiliser une antenne présentant un facteur d’antenne sensiblement indépendant de la fréquence, sur une large bande de fréquences. Le spécialiste sait que ce résultat peut être obtenu, dans une bande de fréquence connue, la bande de fréquence connue ayant une borne supérieure, la borne supérieure correspondant à une longueur d’onde dans le vide, en utilisant, pour la réception radio, une antenne active de l’état de l’art antérieur comportant :
un cadre blindé, le cadre blindé étant un cadre blindé monospire, le cadre blindé étant petit devant ladite longueur d’onde dans le vide, le cadre blindé ayant un accès, une impédance présentée par cet accès étant appelée “impédance du cadre blindé” ;
un amplificateur, l’accès du cadre blindé étant couplé à une entrée de l’amplificateur, l’entrée de l’amplificateur ayant une impédance appelée “impédance d’entrée de l’amplificateur”, un module de l’impédance d’entrée de l’amplificateur étant, à toute fréquence dans la bande de fréquence connue, beaucoup plus petit qu’un module de l’impédance du cadre blindé, une tension de sortie de l’amplificateur étant, à une fréquence donnée dans la bande de fréquence connue, égale au produit d’un courant d’entrée de l’amplificateur et d’une transimpédance, un module de la transimpédance étant sensiblement indépendant de la fréquence donnée.
Un exemple d’une telle antenne active de l’état de l’art antérieur est montré sur la , où les arêtes cachées (c’est-à-dire non directement visibles) et les contours cachés ne sont pas représentés. L’antenne active montrée sur la comporte :
un premier élément (1), le premier élément étant une ligne de transmission ayant un conducteur externe (123) et un conducteur interne (121), la ligne de transmission ayant une première extrémité (101) et une seconde extrémité (102), le conducteur externe ayant une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, le conducteur externe ayant une seconde extrémité à la seconde extrémité de la ligne de transmission, le conducteur interne ayant une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, le conducteur interne ayant une seconde extrémité à la seconde extrémité de la ligne de transmission, le premier élément étant une partie du cadre blindé ;
un deuxième élément (2), le deuxième élément étant un conducteur électrique, le deuxième élément ayant une première extrémité (201) et une seconde extrémité (202), la première extrémité du deuxième élément étant couplée à la première extrémité du conducteur interne, le deuxième élément étant une partie du cadre blindé ;
une partie appelée “base” (3), la base procurant un contact électrique entre la seconde extrémité du conducteur externe et la seconde extrémité du deuxième élément, la base étant une partie du cadre blindé ;
ledit amplificateur, ladite entrée de l’amplificateur étant couplée à la seconde extrémité du conducteur interne (qui correspond à l’accès du cadre blindé) ; et
un accès de sortie, l’accès de sortie étant couplé à une sortie de l’amplificateur.
Le spécialiste sait qu’un amplificateur convenable peut par exemple être un amplificateur à transimpédance (en anglais: transimpedance amplifier) ou un amplificateur à transrésistance (en anglais: transresistance amplifier) similaires à ceux discutés dans le paragraphe 8.11 du livre de P. Horowitz et W. Hill intitulé “The Art of Electronics, Third Edition”, publié par Cambridge University Press en 2015, ou à ceux qui sont utilisés dans le brevet des États-Unis d’Amérique numéro 5,352,984 intitulé “Fault and splice finding system and method”, ou dans la demande internationale numéro PCT/DE2006/000415 (WO 2006/097071) intitulée “Active reception antenna system”.
Si nous comparons une première antenne active constituée d’un tel cadre blindé et d’un tel amplificateur, à une seconde antenne active constituée d’un cadre ayant la même taille que le cadre blindé, et du même amplificateur que celui utilisé dans la première antenne active, nous trouvons que, comme expliqué ci-dessus, l’immunité à un courant de mode commun circulant sur le câble reliant l’antenne à un appareil de mesure ou un récepteur radio, induit par un champ électromagnétique incident reçu en tant que signal ou par des perturbations électromagnétiques, est bien meilleure pour la première antenne active que pour la seconde antenne active.
Un premier problème est que la borne supérieure de la bande de fréquence sur laquelle le facteur d’antenne est sensiblement indépendant de la fréquence est beaucoup plus bas pour la première antenne active que pour la seconde antenne active. Pour compenser cette réduction, il est nécessaire de réduire la taille du cadre blindé, ce qui entraîne, aux fréquences inférieures à la borne supérieure, une augmentation du produit du facteur d’antenne par la densité de la tension de bruit en sortie de l’antenne active (cette densité étant exprimée en volt efficace par racine carrée de hertz), alors que le concepteur souhaite que ce produit soit aussi petit que possible à ces fréquences.
Ainsi, l’état de l’art antérieur ne divulgue pas d’antenne active comportant un cadre blindé, l’antenne active ayant un facteur d’antenne qui est sensiblement indépendant de la fréquence dans une bande de fréquence connue ayant une borne supérieure spécifiée, et l’antenne active étant telle que, aux fréquences inférieures à la borne supérieure, un produit de son facteur d’antenne par la densité de la tension de bruit en sortie de l’antenne active est petit.
Un second problème est que la première antenne active est facilement perturbée par un signal radio à une fréquence supérieure à la borne supérieure, car la sensibilité du cadre blindé est beaucoup plus basse dans la bande de fréquence connue, où le cadre blindé est électriquement petit, qu’à certaines fréquences plus élevées que la borne supérieure, en particulier à proximité de certaines fréquences de résonance du cadre blindé. Si l’antenne active est perturbée par un signal radio à une fréquence supérieure à la borne supérieure, de la désensibilisation et/ou de la modulation croisée et/ou de l’intermodulation peuvent se produire.
La solution connue pour protéger la première antenne active contre un signal radio à une fréquence supérieure à la borne supérieure utilise un filtre passe-bas inséré entre l’accès du cadre blindé et l’entrée de l’amplificateur. La est un graphique montrant le module d’une impédance du cadre blindé de l’antenne active de la , en fonction de la fréquence. Le spécialiste comprend que l’impédance du cadre blindé et l’impédance d’entrée de l’amplificateur sont telles qu’un filtre passe-bas efficace introduit des variations indésirables du facteur d’antenne en fonction de la fréquence, qui réduisent fortement la borne supérieure. Pour compenser cette réduction, il est nécessaire de réduire fortement la taille du cadre blindé, ce qui entraîne, aux fréquences inférieures à la borne supérieure, une forte augmentation du produit du facteur d’antenne par la densité de la tension de bruit en sortie de l’antenne active, alors que le concepteur souhaite que ce produit soit aussi petit que possible à ces fréquences.
Ainsi, l’état de l’art antérieur ne divulgue pas d’antenne active comportant un cadre blindé, l’antenne active ayant un facteur d’antenne qui est sensiblement indépendant de la fréquence dans une bande de fréquence connue ayant une borne supérieure spécifiée, l’antenne active n’étant pas facilement perturbée par un signal radio à une fréquence supérieure à la borne supérieure, et l’antenne active étant telle que, aux fréquences inférieures à la borne supérieure, un produit de son facteur d’antenne par la densité de la tension de bruit en sortie de l’antenne active est petit.
L’invention a pour objet une antenne active dépourvue des limitations mentionnées ci-dessus des techniques connues.
Dans la suite, “couplé” fait toujours référence à un couplage électrique. Lorsque ce terme est appliqué à deux entités telles que des bornes, des conducteurs, des noeuds, etc, “couplé” peut indiquer que les entités sont directement couplées, c’est-à-dire connectées (ou, de façon équivalente, en contact électrique) l’une avec l’autre, et/ou que les entités sont indirectement couplées, une interaction électrique différente du couplage direct existant dans ce cas entre les entités, par exemple à travers un ou plusieurs composants. Lorsque ce terme est appliqué à deux entités à plusieurs bornes, telles que des accès, des connecteurs, etc, “couplé” peut indiquer que les entités sont directement couplées, chaque borne d’une des entités étant dans ce cas directement couplée à une et une seule des bornes de l’autre entité, et/ou que les entités sont indirectement couplées, une interaction électrique différente du couplage direct existant dans ce cas entre les bornes des entités, par exemple à travers un ou plusieurs composants.
Une antenne active selon l’invention est une antenne active pour la réception radio dans une bande de fréquence connue, la bande de fréquence connue ayant une borne supérieure, l’antenne active comportant :
un premier élément, le premier élément comportant un “tube du premier élément” et une ligne de transmission, le tube du premier élément étant un conducteur électrique ayant une longueur, la ligne de transmission ayant un conducteur externe et un conducteur interne, la ligne de transmission ayant une première extrémité, une seconde extrémité et une longueur, le conducteur externe ayant une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, le conducteur externe ayant une seconde extrémité à la seconde extrémité de la ligne de transmission, le conducteur interne ayant une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, le conducteur interne ayant une seconde extrémité à la seconde extrémité de la ligne de transmission, au moins une portion de la longueur de la ligne de transmission se trouvant dans le tube du premier élément, le conducteur externe n’étant, sur une portion de la longueur du tube du premier élément, pas en contact électrique avec le tube du premier élément, la première extrémité du conducteur externe étant connectée au tube du premier élément, le premier élément étant une partie d’un cadre blindé ;
un deuxième élément, le deuxième élément étant un conducteur électrique, le deuxième élément ayant une première extrémité et une seconde extrémité, la première extrémité du deuxième élément étant couplée à la première extrémité du conducteur interne, le deuxième élément étant une partie du cadre blindé ;
au moins un dispositif linéaire à accès unique, le dit au moins un dispositif linéaire à accès unique étant couplé à la première extrémité de la ligne de transmission, une impédance vue par la première extrémité de la ligne de transmission étant affectée par une impédance du dit au moins un dispositif linéaire à accès unique, le dit au moins un dispositif linéaire à accès unique ayant, à une fréquence supérieure à ladite borne supérieure, une résistance et une réactance, la résistance étant supérieure à une valeur absolue de la réactance ;
un amplificateur ayant une entrée et une sortie, l’entrée de l’amplificateur étant directement ou indirectement couplée à la seconde extrémité de la ligne de transmission ; et
un accès de sortie, l’accès de sortie étant couplé à la sortie de l’amplificateur.
Par exemple, il est possible qu’au moins un des dispositifs linéaires à accès unique soit une résistance. Par exemple, il est possible que les un ou plusieurs dispositifs linéaires à accès unique présentent à la première extrémité de la ligne de transmission, à une fréquence supérieure à ladite borne supérieure, une impédance dont la partie réelle est comprise entre la moitié et le double de la partie réelle d’une impédance caractéristique de la ligne de transmission.
Par exemple, l’antenne active peut en outre comporter un filtre passif linéaire ayant une entrée et une sortie, l’entrée du filtre passif linéaire étant couplée à la seconde extrémité de la ligne de transmission, l’entrée de l’amplificateur étant couplée à la sortie du filtre passif linéaire, si bien que, dans ce cas, l’entrée de l’amplificateur est indirectement couplée à la seconde extrémité de la ligne de transmission, à travers le filtre passif linéaire.
D’autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés dans les dessins annexés sur lesquels :
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE CERTAINS MODES DE RÉALISATION
Premier mode de réalisation.
Au titre d’un premier mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention, donné à titre d’exemple non limitatif, nous avons représenté sur les figures 3 et 4 des dessins d’une antenne active selon l’invention pour la réception radio dans une bande de fréquence connue, la bande de fréquence connue étant la bande 1 MHz à 300 MHz, la bande de fréquence connue ayant une borne supérieure notéef MAX et égale à 300 MHz, l’antenne active comportant :
un premier élément (1), le premier élément comportant un tube (11) et une ligne de transmission (12), le tube étant un conducteur électrique appelé “le tube du premier élément”, la ligne de transmission ayant un conducteur externe (123) et un conducteur interne (121), la ligne de transmission ayant une première extrémité (101) et une seconde extrémité, le conducteur externe ayant une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, le conducteur externe ayant une seconde extrémité à la seconde extrémité de la ligne de transmission, le conducteur interne ayant une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, le conducteur interne ayant une seconde extrémité à la seconde extrémité de la ligne de transmission, le tube du premier élément ayant une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, au moins une portion de la longueur de la ligne de transmission se trouvant dans le tube du premier élément, le conducteur externe n’étant, sur une portion de la longueur du tube du premier élément, pas en contact électrique avec le tube du premier élément, la première extrémité du conducteur externe étant connectée à la première extrémité du tube du premier élément ;
un deuxième élément (2), le deuxième élément étant un conducteur électrique, le deuxième élément ayant une première extrémité (201) et une seconde extrémité, la première extrémité du deuxième élément étant couplée à la première extrémité du conducteur interne ;
une base (3), la base procurant un contact électrique entre une seconde extrémité du tube du premier élément et la seconde extrémité du deuxième élément ;
un dispositif linéaire à accès unique (4) ayant une première borne et une seconde borne, la première borne du dispositif linéaire à accès unique étant directement couplée à la première extrémité du deuxième élément, la seconde borne du dispositif linéaire à accès unique étant directement couplée à la première extrémité du tube du premier élément ;
un amplificateur ayant une entrée et une sortie ; et
un accès de sortie, l’accès de sortie étant couplé à la sortie de l’amplificateur.
La montre toute l’antenne active. Dans la , les arêtes cachées et les contours cachés ne sont pas représentés. Ladite au moins une portion de la longueur de la ligne de transmission peut par exemple être la totalité de la longueur de la ligne de transmission.
Dans ce premier mode de réalisation, une section droite de la ligne de transmission comporte le conducteur interne, placé à l’intérieur d’un diélectrique creux, le diélectrique creux étant placé à l’intérieur du conducteur externe, qui a une section droite creuse. De façon optionnelle, la section droite de la ligne de transmission peut aussi comporter une gaine isolante ayant une section droite creuse, le conducteur externe étant placé à l’intérieur de la gaine isolante. L’impédance caractéristique de cette ligne de transmission est voisine de 50 ohms à 100 MHz.
Dans ce premier mode de réalisation, une section droite du tube du premier élément est rectangulaire et creuse. La ligne de transmission est fixée dans le tube du premier élément en utilisant des pièces isolantes. Le conducteur externe est connecté au tube du premier élément à la première extrémité du tube du premier élément, et seulement à la première extrémité du tube du premier élément.
Dans ce premier mode de réalisation, une section droite du deuxième élément est un conducteur électrique rectangulaire et creux, similaire au tube du premier élément.
La montre une partie de l’antenne active, au voisinage de la première extrémité de la ligne de transmission et de la première extrémité du deuxième élément. Dans la , les arêtes cachées et les contours cachés sont représentés. La montre le conducteur interne (121), le diélectrique creux (122), le conducteur externe (123), et la gaine isolante (124) optionnelle. La montre comment la première borne du dispositif linéaire à accès unique est directement couplée à la première extrémité du deuxième élément, et comment la seconde borne du dispositif linéaire à accès unique est directement couplée à la première extrémité du tube du premier élément. La montre une connexion (14) à travers laquelle la première extrémité du deuxième élément est couplée à la première extrémité du conducteur interne. La montre des connexions (13) à travers lesquelles la première extrémité du conducteur externe est couplée à la première extrémité du tube du premier élément. La montre qu’il est possible de considérer que la première borne du dispositif linéaire à accès unique est couplée à la première extrémité du conducteur interne, à travers la connexion (14), et que la seconde borne du dispositif linéaire à accès unique est couplée à la première extrémité du conducteur externe, à travers les connexions (13). Ainsi, le dispositif linéaire à accès unique est couplé à la première extrémité de la ligne de transmission, d’une façon telle qu’une impédance vue par la première extrémité de la ligne de transmission est affectée par une impédance du dispositif linéaire à accès unique.
La montre aussi une pièce isolante (15) utilisée pour maintenir la ligne de transmission (12) dans le tube du premier élément (11).
Le spécialiste voit que le tube du premier élément, la base et le deuxième élément forment un enroulement polygonal ayant une seule spire, l’enroulement étant utilisé comme un cadre. Le spécialiste voit aussi que le premier élément, la base et le deuxième élément forment un cadre blindé. Le cadre blindé est un cadre blindé monospire, dans lequel le conducteur interne est blindé par deux écrans séparés : le conducteur externe et le tube du premier élément. Ainsi, le cadre blindé formé par le premier élément, la base et le deuxième élément est différent de celui montré dans la -22(a) du paragraphe 5-4 du chapitre 5 du dit livre de R.C. Johnson, et de tous ceux montrés dans la Fig. 9 du rapport de G.A. Morgan, Jr. intitulé “Analysis and calibration of loop probes for use in measuring interference fields”, publié par le Naval Research Laboratory sous le numéro NRL Report R-3486, en juin 1949. Au contraire, le cadre blindé formé par le premier élément, la base et le deuxième élément est similaire à la “feed loop” qui est une partie de la “wide range tunable transmitting loop antenna” divulguée dans le brevet des États-Unis d’Amérique numéro 3,588,905. Le cadre blindé formé par le premier élément, la base et le deuxième élément est aussi similaire à la “shielded loop antenna” décrite par Phillip Frost dans un document électronique intitulé “Is this shielded loop antenna balanced?”, daté du 31 mai 2013, et disponible en février 2020 sur https://electronics.stackexchange.com.
Par conséquent, le premier élément est une partie du cadre blindé, le deuxième élément est une partie du cadre blindé, et la base est une partie du cadre blindé.
Nous notons que ni ledit brevet des États-Unis d’Amérique numéro 3,588,905 ni ledit document électronique intitulé “Is this shielded loop antenna balanced?” ne mentionnent un composant ayant une première borne et une seconde borne, la première borne du composant étant couplée à la première extrémité du deuxième élément, la seconde borne du composant étant couplée à la première extrémité du tube du premier élément. Par conséquent, le spécialiste voit que le cadre blindé et le dispositif linéaire à accès unique forment une nouvelle antenne passive. Cette antenne passive comporte donc : le premier élément, le deuxième élément, la base et le dispositif linéaire à accès unique.
La borne supérieuref MAX correspond à une longueur d’onde dans le vide, égale à la vélocité de la lumière dans le vide divisée parf MAX . Une somme d’une longueur de la ligne de transmission, mesurée entre sa première extrémité et sa seconde extrémité, d’une longueur du deuxième élément, mesurée entre sa première extrémité et sa seconde extrémité, et d’une longueur, mesurée sur la base, entre la seconde extrémité du tube du premier élément et la seconde extrémité du deuxième élément, est inférieure à la moitié de ladite longueur d’onde dans le vide.
La base est creuse. L’amplificateur est installé dans la base, et est alimenté par une pile ou un accumulateur rechargeable. L’amplificateur a une impédance d’entrée, notéeZ I , un module de l’impédance d’entrée étant inférieur à 4 ohms, à toute fréquence dans la bande de fréquence connue. L’amplificateur est tel que, si l’accès de sortie est couplé à une charge convenable, par exemple un récepteur de mesure présentant une impédance proche de 50 ohms, une tension aux bornes de l’accès de sortie est égale au produit d’un courant d’entrée de l’amplificateur par une transimpédance, notéeZ T , un module de la transimpédance étant sensiblement constant dans la bande de fréquence connue.
Def MAX /6 à 6f MAX , le dispositif linéaire à accès unique se comporte sensiblement comme une résistance de 50 ohms. Ainsi, le dispositif linéaire à accès unique a, à une fréquence supérieure à ladite borne supérieure, une résistance et une réactance, la résistance étant supérieure à une valeur absolue de la réactance. Nous voyons que le dispositif linéaire à accès unique présente à la première extrémité de la ligne de transmission, à une fréquence supérieure à ladite borne supérieure, une impédance dont la partie réelle est comprise entre la moitié et le double de la partie réelle d’une impédance caractéristique de la ligne de transmission.
La première extrémité de la ligne de transmission voit, à toute fréquence, une impédance qui résulte de son couplage au dit enroulement polygonal et au dispositif linéaire à accès unique. Le spécialiste comprend qu’il est possible de considérer que l’enroulement polygonal et le dispositif linéaire à accès unique sont connectés en parallèle.
Deuxième mode de réalisation.
Le deuxième mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention, donné à titre d’exemple non limitatif, correspond également à l’antenne active représentée sur les figures 3 et 4, et toutes les explications fournies pour le premier mode de réalisation sont applicables à ce deuxième mode de réalisation.
De plus, dans ce deuxième mode de réalisation, l’entrée de l’amplificateur est directement couplée à la seconde extrémité de la ligne de transmission, donc à l’accès de l’antenne passive constituée du cadre blindé et du dispositif linéaire à accès unique. Une impédance vue par l’entrée de l’amplificateur est donc une impédance de ladite antenne passive.
Des expériences montrent que les caractéristiques du cadre blindé et du dispositif linéaire à accès unique interagissent de façon telle que : dans une très large bande de fréquence, un module du rapport de l’impédance de ladite antenne passive, notéeZ A , sur une longueur effective de ladite antenne passive, notéeh A , est sensiblement indépendant de la fréquence ; et, def MAX /2 à 4f MAX , l’impédance de ladite antenne passive a un module voisin de 50 ohms, et est approximativement une résistance. Puisque, dans une très large bande de fréquence, |Z I | est beaucoup plus petit que |Z A | et |Z T | est presque constant, il s’ensuit que les caractéristiques de ladite antenne passive et de l’amplificateur interagissent de façon telle qu’un facteur d’antenne de l’antenne active, donné par
est sensiblement indépendant de la fréquence dans une très large bande de fréquence. Ainsi, le spécialiste comprend que la présence du dispositif linéaire à accès unique a augmenté une borne supérieure de la bande de fréquence sur laquelle le facteur d’antenne est sensiblement indépendant de la fréquence.
Par conséquent, le concepteur n’a pas réduit la taille du cadre blindé. Ainsi, l’antenne active comporte un cadre blindé, l’antenne active a un facteur d’antenne qui est sensiblement indépendant de la fréquence dans la bande de fréquence connue, et l’antenne active est telle que, aux fréquences inférieures à la borne supérieure, un produit de son facteur d’antenne par la densité de la tension de bruit en sortie de l’antenne active est petit. Par conséquent, l’antenne active est une solution du premier problème décrit ci-dessus dans la section sur l’état de la technique antérieure.
Troisième mode de réalisation.
Le troisième mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention, donné à titre d’exemple non limitatif, correspond également à l’antenne active représentée sur les figures 3 et 4, et toutes les explications fournies pour le premier mode de réalisation sont applicables à ce troisième mode de réalisation.
De plus, dans ce troisième mode de réalisation, l’antenne active comporte un filtre passif linéaire ayant une entrée et une sortie ; l’entrée du filtre passif linéaire est couplée à la seconde extrémité de la ligne de transmission, donc à l’accès de l’antenne passive constituée du cadre blindé et du dispositif linéaire à accès unique ; et l’entrée de l’amplificateur est couplée à la sortie du filtre passif linéaire. Une impédance vue par l’entrée du filtre passif linéaire est donc une impédance de ladite antenne passive.
Des expériences montrent que les caractéristiques du cadre blindé et du dispositif linéaire à accès unique interagissent de façon telle que, dans une très large bande de fréquence, un module du rapport de l’impédance de ladite antenne passive sur une longueur effective de ladite antenne passive est sensiblement indépendant de la fréquence ; et de façon telle que, def MAX /2 à 4f MAX , l’impédance de ladite antenne passive a un module voisin de 50 ohms, et est approximativement une résistance. Le spécialiste comprend que les caractéristiques de ladite antenne passive et de l’amplificateur interagissent de façon telle que le dispositif linéaire à accès unique augmente la borne supérieure de la bande de fréquence sur laquelle le facteur d’antenne de l’antenne active est sensiblement indépendant de la fréquence, et qu’il a été possible d’obtenir que le filtre passif linéaire soit un filtre passe-bas qui atténue efficacement les fréquences supérieures à 2.5f MAX , et qui n’introduit pas de variations indésirables du facteur d’antenne en fonction de la fréquence, aux fréquences inférieures ou égales àf MAX .
Ceci est dû à ce que la théorie des filtres passifs nous apprend qu’il est possible de concevoir un tel filtre, s’il voit à son entrée une impédance pratiquement réelle et constante depuis une fréquencef 1jusqu’à une fréquencef 2, et s’il voit à sa sortie, à toute fréquence comprise entref 1etf 2, une impédance dont le module est suffisamment plus petit que le module de l’impédance qu’il voit à son entrée, la fréquencef 1étant suffisamment plus petite que la fréquence de coupure du filtre et la fréquencef 2étant suffisamment plus grande que la fréquence de coupure du filtre.
Par conséquent, l’utilisation du filtre passif linéaire n’a pas conduit le concepteur à réduire la taille du cadre blindé. Ainsi, l’antenne active comporte un cadre blindé, l’antenne active a un facteur d’antenne qui est sensiblement indépendant de la fréquence dans la bande de fréquence connue, l’antenne active n’est pas facilement perturbée par un signal radio à une fréquence supérieure à la borne supérieure, et l’antenne active est telle que, aux fréquences inférieures à la borne supérieure, un produit de son facteur d’antenne par la densité de la tension de bruit en sortie de l’antenne active est petit. Par conséquent, l’antenne active est une solution du premier problème et du second problème décrits ci-dessus dans la section sur l’état de la technique antérieure.
Quatrième mode de réalisation.
Au titre d’un quatrième mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention, donné à titre d’exemple non limitatif, nous avons représenté sur les figures 5, 6 et 7 des dessins d’une antenne active selon l’invention pour la réception radio dans une bande de fréquence connue, la bande de fréquence connue étant la bande 9 kHz à 30 MHz, la bande de fréquence connue ayant une borne supérieure notéef MAX et égale à 30 MHz, l’antenne active comportant :
un premier élément (1), le premier élément comportant un tube (11) et une ligne de transmission (12), le tube étant un conducteur électrique appelé “le tube du premier élément”, la ligne de transmission ayant un conducteur externe et un conducteur interne, la ligne de transmission ayant une première extrémité et une seconde extrémité, le conducteur externe ayant une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, le conducteur externe ayant une seconde extrémité à la seconde extrémité de la ligne de transmission, le conducteur interne ayant une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, le conducteur interne ayant une seconde extrémité à la seconde extrémité de la ligne de transmission, le tube du premier élément ayant une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, la ligne de transmission étant complètement ou partiellement insérée dans le tube du premier élément, le conducteur externe n’étant, sur une portion de la longueur du tube du premier élément, pas en contact électrique avec le tube du premier élément, la première extrémité du conducteur externe étant connectée au tube du premier élément, le premier élément étant une partie d’un cadre blindé ;
un deuxième élément (2), le deuxième élément étant un conducteur électrique, le deuxième élément ayant une première extrémité et une seconde extrémité, la première extrémité du deuxième élément étant couplée à la première extrémité du conducteur interne, le deuxième élément étant une partie du cadre blindé ;
une partie appelée “base” (3), la base procurant un contact électrique entre une seconde extrémité du tube du premier élément et la seconde extrémité du deuxième élément, la base étant une partie du cadre blindé ;
deux dispositifs linéaires à accès unique (4), chacun des dispositifs linéaires à accès unique étant couplé à la première extrémité de la ligne de transmission, une impédance vue par la première extrémité de la ligne de transmission étant affectée par une impédance du dit chacun des dispositifs linéaires à accès unique, le dit chacun des dispositifs linéaires à accès unique ayant, à une fréquence supérieure à ladite borne supérieure, une résistance et une réactance, la résistance étant supérieure à une valeur absolue de la réactance ;
un filtre passif linéaire ayant une entrée et une sortie, l’entrée du filtre passif linéaire étant couplée à la seconde extrémité de la ligne de transmission ;
un amplificateur ayant une entrée et une sortie, l’entrée de l’amplificateur étant couplée à la sortie du filtre passif linéaire ; et
un accès de sortie, l’accès de sortie étant couplé à la sortie de l’amplificateur.
Dans les figures 5, 6 et 7, les arêtes cachées et les contours cachés ne sont pas représentés, sauf le contour caché de la ligne de transmission (12) dans la . La est une vue de face de l’antenne active.
La base comporte un anneau de fixation (5). L’anneau de fixation est utilisé pour fixer l’antenne active sur un mât d’antenne (9). La base (3) est une boîte, la boîte contenant le filtre passif linéaire et l’amplificateur. Cette boîte peut par exemple être une boîte métallique. Ainsi, la base peut procurer un blindage du filtre passif linéaire et de l’amplificateur, c’est-à-dire un écrantage électromagnétique du filtre passif linéaire et de l’amplificateur. La est une vue de face de l’antenne active sans le couvercle de la base, et sans ses vis utilisées pour fixer le couvercle de la base à la base. La montre un ensemble électronique (6) qui comporte le filtre passif linéaire et l’amplificateur.
La est une vue de derrière de l’antenne active, montrant un connecteur coaxial (7) qui matérialise l’accès de sortie, et un connecteur d’alimentation (8) permettant d’alimenter l’amplificateur.
Ladite borne supérieure correspond à une longueur d’onde dans le vide, égale à la vélocité de la lumière dans le vide divisée par la borne supérieure. Une somme d’une longueur de la ligne de transmission, mesurée entre sa première extrémité et sa seconde extrémité, d’une longueur du deuxième élément, mesurée entre sa première extrémité et sa seconde extrémité, et d’une longueur, mesurée sur la base, entre la seconde extrémité du tube du premier élément et la seconde extrémité du deuxième élément, est inférieure au quart de ladite longueur d’onde dans le vide. Le cadre blindé, qui est constitué du premier élément, du deuxième élément et de la base, est donc électriquement petit.
Dans ce quatrième mode de réalisation, la ligne de transmission est une ligne de transmission coaxiale dont l’impédance caractéristique est voisine de 75 ohms à 100 MHz. La ligne de transmission peut par exemple être un câble coaxial rigide ou semi-rigide, convenablement courbé. La ligne de transmission peut par exemple être un câble coaxial flexible. La ligne de transmission coaxiale peut par exemple comporter un conducteur central, un diélectrique entourant le conducteur central, une tresse métallique entourant le diélectrique, et une gaine isolante entourant la tresse métallique, ledit conducteur interne étant le conducteur central, ledit conducteur externe étant la tresse métallique.
Dans ce quatrième mode de réalisation, le tube du premier élément est un tube métallique rigide, une section droite du tube métallique rigide étant circulaire et creuse. Le conducteur externe est connecté au tube du premier élément, à la première extrémité du tube du premier élément et à la seconde extrémité du tube du premier élément, mais le conducteur externe n’est nulle part ailleurs en contact électrique avec le tube du premier élément.
Le deuxième élément peut par exemple comporter une barre métallique rigide, la barre métallique rigide ayant une section droite circulaire, de même diamètre que le tube du premier élément, la barre métallique rigide étant courbée. Le deuxième élément peut par exemple comporter un tube métallique rigide, le tube métallique rigide ayant une section droite circulaire, de même diamètre que le tube du premier élément, le tube métallique rigide étant courbé.
L’amplificateur est un amplificateur à transimpédance ou un amplificateur à transrésistance, tels que définis ci-dessus dans la section sur l’état de la technique antérieure. Ainsi, l’amplificateur a une impédance d’entrée, un module de l’impédance d’entrée étant très petit à toute fréquence dans la bande de fréquence connue, et l’amplificateur est tel que, lorsque l’accès de sortie est couplé à une charge convenable, une tension aux bornes de l’accès de sortie est égale au produit d’un courant d’entrée de l’amplificateur multiplié par une transimpédance, un module de la transimpédance étant sensiblement constant dans la bande de fréquence connue.
Chacun des dispositifs linéaires à accès unique est une résistance de 150 ohms. Ainsi, du courant continu à 5f MAX , chacun des dispositifs linéaires à accès unique se comporte sensiblement comme une résistance de 150 ohms idéale. Par conséquent, chacun des dispositifs linéaires à accès unique a, à une fréquence supérieure à ladite borne supérieure, une résistance et une réactance, la résistance étant supérieure à une valeur absolue de la réactance. Le spécialiste comprend que deux résistances de 150 ohms connectées en parallèle comme montré sur la présentent une inductance parasite plus faible qu’une seule résistance de 75 ohms.
Nous voyons que les dispositifs linéaires à accès unique présentent à la première extrémité de la ligne de transmission, à une fréquence supérieure à ladite borne supérieure, une impédance dont la partie réelle est comprise entre la moitié et le double de la partie réelle d’une impédance caractéristique de la ligne de transmission.
Le cadre blindé et les dispositifs linéaires à accès unique forment une antenne passive. Des simulations montrent que les caractéristiques du cadre blindé et des dispositifs linéaires à accès unique interagissent de façon telle que, dans une très large bande de fréquence, un module du rapport de l’impédance de ladite antenne passive sur une longueur effective de ladite antenne passive est sensiblement indépendant de la fréquence ; et de façon telle que, de fMAX /3 à 5 fMAX , l’impédance de ladite antenne passive a un module approximativement voisin de 75 ohms, et est approximativement une résistance. Plus précisément, la est un graphique montrant le module de l’impédance de ladite antenne passive, en fonction de la fréquence. La montre que, de fMAX /3 = 10 MHz à 5 fMAX = 150 MHz, l’impédance de ladite antenne passive a un module approximativement voisin de 75 ohms. Le spécialiste comprend que les caractéristiques de ladite antenne passive et de l’amplificateur interagissent de façon telle que les dispositifs linéaires à accès unique augmentent la borne supérieure de la bande de fréquence sur laquelle le facteur d’antenne de l’antenne active est sensiblement indépendant de la fréquence, et qu’il a été possible d’obtenir que le filtre passif linéaire soit un filtre passe-bas qui atténue efficacement les fréquences supérieures à 2 fMAX , et qui n’introduit pas de variations indésirables du facteur d’antenne en fonction de la fréquence, aux fréquences inférieures ou égales à fMAX.
Ainsi, l’antenne active comporte un cadre blindé, l’antenne active a un facteur d’antenne qui est sensiblement indépendant de la fréquence dans la bande de fréquence connue, l’antenne active n’est pas facilement perturbée par un signal radio à une fréquence supérieure à la borne supérieure, et l’antenne active est telle que, aux fréquences inférieures à la borne supérieure, un produit de son facteur d’antenne par la densité de la tension de bruit en sortie de l’antenne active est petit.
Il est intéressant d’observer que les antennes actives montrées sur la et la sont basées sur le même cadre, c’est-à-dire : le conducteur externe de la est le même que le tube du premier élément de la ; les deuxièmes éléments sont les mêmes dans la et dans la ; et les bases sont les mêmes dans la et dans la . Ainsi, le spécialiste comprend que la différence frappante entre la et la est causée par l’interaction entre le cadre blindé et les dispositifs linéaires à accès unique.
Si le facteur d’antenne est le rapport de l’intensité du champ électrique d’une onde plane incidente sur la tension développée par l’antenne active aux bornes d’une impédance spécifiée, le facteur d’antenne s’exprime en inverse de mètre. Le spécialiste comprend que le produit de ce facteur d’antenne exprimé en inverse de mètre et d’une densité de la tension de bruit en sortie de l’antenne active exprimée en volt efficace par racine carrée de hertz est une densité de champ électrique équivalent au bruit, exprimée en volt efficace par mètre par racine carrée de hertz. Ainsi, l’antenne active a, aux fréquences inférieures à la borne supérieure, une petite densité de champ électrique équivalent au bruit, exprimée en volt efficace par mètre par racine carrée de hertz. De même, si le facteur d’antenne est le rapport de l’intensité du champ magnétique d’une onde plane incidente sur la tension développée par l’antenne active aux bornes d’une impédance spécifiée, le facteur d’antenne s’exprime en siemens par mètre. L’antenne active a donc, aux fréquences inférieures à la borne supérieure, une petite densité de champ magnétique équivalent au bruit, exprimée en ampère efficace par mètre par racine carrée de hertz.
Le spécialiste comprend que l’antenne active est une solution du premier problème et du second problème décrits ci-dessus dans la section sur l’état de la technique antérieure, et que l’antenne active a des caractéristiques idéales pour effectuer des mesures précises de champs électromagnétiques.
INDICATIONS SUR LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES
La sortie de l’antenne active selon l’invention peut par exemple être connectée à une extrémité d’une liaison d’antenne, la liaison d’antenne ayant une autre extrémité qui est couplée à un récepteur de communication radio, un récepteur de mesure, ou un analyseur de spectre. L’antenne active selon l’invention est particulièrement adaptée aux mesures de champs électromagnétiques, et à la radiogoniométrie.
L’antenne active selon l’invention peut aussi comporter d’autres dispositifs, par exemple un dispositif indiquant quand le niveau des signaux appliqués à l’amplificateur produit, ou risque de produire, un fonctionnement non linéaire, conduisant par exemple à une saturation ou surcharge en sortie.
Claims (10)
- Antenne active pour la réception radio dans une bande de fréquence connue, la bande de fréquence connue ayant une borne supérieure, l’antenne active comportant :
un premier élément (1), le premier élément comportant un “tube du premier élément” (11) et une ligne de transmission (12), le tube du premier élément étant un conducteur électrique ayant une longueur, la ligne de transmission ayant un conducteur externe et un conducteur interne, la ligne de transmission ayant une première extrémité (101), une seconde extrémité et une longueur, le conducteur externe ayant une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, le conducteur externe ayant une seconde extrémité à la seconde extrémité de la ligne de transmission, le conducteur interne ayant une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, le conducteur interne ayant une seconde extrémité à la seconde extrémité de la ligne de transmission, au moins une portion de la longueur de la ligne de transmission se trouvant dans le tube du premier élément, le conducteur externe n’étant, sur une portion de la longueur du tube du premier élément, pas en contact électrique avec le tube du premier élément, la première extrémité du conducteur externe étant connectée au tube du premier élément, le premier élément étant une partie d’un cadre blindé ;
un deuxième élément (2), le deuxième élément étant un conducteur électrique, le deuxième élément ayant une première extrémité (201) et une seconde extrémité, la première extrémité du deuxième élément étant couplée à la première extrémité du conducteur interne, le deuxième élément étant une partie du cadre blindé ;
au moins un dispositif linéaire à accès unique (4), le dit au moins un dispositif linéaire à accès unique étant couplé à la première extrémité de la ligne de transmission, une impédance vue par la première extrémité de la ligne de transmission étant affectée par une impédance du dit au moins un dispositif linéaire à accès unique, le dit au moins un dispositif linéaire à accès unique ayant, à une fréquence supérieure à ladite borne supérieure, une résistance et une réactance, la résistance étant supérieure à une valeur absolue de la réactance ;
un amplificateur ayant une entrée et une sortie, l’entrée de l’amplificateur étant directement ou indirectement couplée à la seconde extrémité de la ligne de transmission ; et
un accès de sortie, l’accès de sortie étant couplé à la sortie de l’amplificateur. - Antenne active selon la revendication 1, dans laquelle le tube du premier élément a une première extrémité à la première extrémité de la ligne de transmission, la première extrémité du conducteur externe étant connectée à la première extrémité du tube du premier élément.
- Antenne active selon la revendication 2, comportant en outre une partie appelée “base” (3), la base procurant un contact électrique entre une seconde extrémité du tube du premier élément et la seconde extrémité du deuxième élément, la base étant une boîte, la boîte contenant l’amplificateur.
- Antenne active selon la revendication 2, comportant en outre un filtre passif linéaire ayant une entrée et une sortie, l’entrée du filtre passif linéaire étant couplée à la seconde extrémité de la ligne de transmission, l’entrée de l’amplificateur étant couplée à la sortie du filtre passif linéaire.
- Antenne active selon la revendication 4, comportant en outre une partie appelée “base” (3), la base procurant un contact électrique entre une seconde extrémité du tube du premier élément et la seconde extrémité du deuxième élément, la base étant une boîte, la boîte contenant le filtre passif linéaire et l’amplificateur.
- Antenne active selon la revendication 5, dans laquelle la base procure un écrantage électromagnétique du filtre passif linéaire et de l’amplificateur.
- Antenne active selon l’une quelconque des revendications 3, 5 ou 6, dans laquelle la borne supérieure correspond à une longueur d’onde dans le vide, égale à la vélocité de la lumière dans le vide divisée par la borne supérieure, une somme d’une longueur de la ligne de transmission, mesurée entre sa première extrémité et sa seconde extrémité, d’une longueur du deuxième élément, mesurée entre sa première extrémité et sa seconde extrémité, et d’une longueur, mesurée sur la base, entre la seconde extrémité du tube du premier élément et la seconde extrémité du deuxième élément, étant inférieure au quart de ladite longueur d’onde dans le vide.
- Antenne active selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle l’amplificateur est un amplificateur à transimpédance ou un amplificateur à transrésistance.
- Antenne active selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle au moins un des dispositifs linéaires à accès unique est une résistance.
- Antenne active selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle le deuxième élément comporte un tube métallique rigide.
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