FR2478380A1 - Coupling for VHF aerials mounted on same pylon - has quarter wavelength radius conducting disc mounted on pylon between transmitter and receiver aerials - Google Patents

Abstract

The aerials are mounted on the one pylon at different heights and have a decoupling coefficient of 70 dBs, operating in the range of 150-220 MHz. A decoupler, in the form of two conductor discs, is located midway between the two aerials. The discs are mounted coaxially, with each disc having a radius of a quarter wavelength. The discs are spaced apart by a quarter wavelength distance and the aerial is equidistant from the pylon foot and the discs. The discs have a thickness of 4mm. The aerials are pref. half-wavelength dipoles, each having two back-to-back reflector screens.

Description

DISPOSITIF DE DECOUPLAGE D'ANTENNES D'EMISSION ET DEDEVICE FOR DECOUPLING TRANSMIT AND ANTENNA ANTENNAS

RECEPTION MONTEES SUR UN MEME PYLONE. RECEPTION MOUNTED ON THE SAME PYLONE.

La présente invention concerne des antennes d'émission et de réception dans la gamme 150.-220 MHz montées sur un m4me pylône à The present invention relates to transmission and reception antennas in the 150.-220 MHz range mounted on a same pylon with

des hauteurs différentes et, plus particulièrement, des moyens de dé- different heights and, more particularly, means of

couplage de deux telles antennes.coupling of two such antennas.

La coexistence d'une antenne d'émission et d'une antenne de ré- The coexistence of a transmission antenna and a transmission antenna

ception dans un espace restreint se traduit par un couplage entre elles. ception in a limited space results in a coupling between them.

La grande disparité6 des ordres de grandeur dcl puissances mises en jeu The great disparity6 of the orders of magnitude of the powers involved

à l'émission et à la réception montre la difficulté du problème du décou- on transmission and reception shows the difficulty of the problem of discovery

plage. L'écart est de 160 dB entre le signal d'un 4metteur de 20 watts beach. The difference is 160 dB between the signal of a 20 watt transmitter

et un signal de 1JU V aux bornes de 50 ohms. and a signal of 1 JU V across the 50 ohm terminals.

Il est connu que le niveau d'un signal de perturbation recueilli dans une voie d'un récepteur peut s'exprimer en dBm à partir de la formule suivante: It is known that the level of a disturbance signal collected in a channel of a receiver can be expressed in dBm from the following formula:

N = P-(D+C+I) (1)N = P- (D + C + I) (1)

o N désigne le niveau de perturbation en dBm, P la puissance o N denotes the disturbance level in dBm, P the power

d'émission d'une voie en dBm, D le couplage entre les antennes d'émis- emission of a channel in dBm, D the coupling between the transmitting antennas

sion et de r6ception en dB que l'invention charche à minimiser, C un coefficient traduisant la linéarité des At ages d'émission en dB et I l'atténuation des isolateurs (cinculateurs) et les pertes d'insertion des sion and reception in dB that the invention seeks to minimize, C a coefficient translating the linearity of the emission ages at dB and I the attenuation of the isolators (cinculators) and the insertion losses of the

différents circuits en régime linéaire. different circuits in linear regime.

Des valeurs typiques pour P et I sont respectivement 43 dBm (20 watts) et 60 dB. La sensibilité des récepteurs (rapport du signal Typical values for P and I are 43 dBm (20 watts) and 60 dB respectively. Receiver sensitivity (signal ratio

au bruit) peut êtire estimée à 0 dBà 0,1 p V soit - 127 dBm sur 50 ohms. noise) can be estimated at 0 dB at 0.1 p V or - 127 dBm on 50 ohms.

Le niveau maximal N du perturbateur pour éviter une désensibilisation du récepteur est donc de - 127 dBm et l'équation (1) s'écrit alors D +C= 110dB (2) Le paramètre C caractéristique des étages d'émission varie de dB pour des amplificateurs fonctionnant en classes B et C à 50 dB pour des amplificateurs munis de linéariseurs et fonctionnant en classe A. On peut donc poser C = 10 + X o X représente la valeur ajoutée par le linéariseur et la classe de The maximum level N of the disturber to avoid desensitization of the receiver is therefore - 127 dBm and equation (1) is then written D + C = 110dB (2) The parameter C characteristic of the emission stages varies by dB for amplifiers operating in classes B and C at 50 dB for amplifiers fitted with linearizers and operating in class A. We can therefore set C = 10 + X o X represents the value added by the linearizer and the class of

fonctionnement des étages d'émission et varie entre 0 et 40 dB. L'équa- operation of the emission stages and varies between 0 and 40 dB. The equa-

tion (2) s'écrit alors D +X = 100 dB (3) et compte tenu des variations de X 60dB SD 4100 dB Un objet de l'invention est d'obtenir un coefficient de découplage entre antenne d'émission et antenne de réception montées sur un seul tion (2) is then written D + X = 100 dB (3) and taking into account the variations of X 60dB SD 4100 dB An object of the invention is to obtain a decoupling coefficient between the transmitting antenna and the antenna reception mounted on a single

et même pylône qui soit au moins égal à 70 dB et puisse atteindre 80 dB. and even pylon which is at least equal to 70 dB and can reach 80 dB.

Utiliser le même pylône-support pour des antennes fonctionnant à l'émission et à la réception revient nécessairement à introduire un élément facilitant le couplage par les courants de conduction. L'aérien émet un rayonnement à forte puissance (20 W): tout objet métallique situé dans son environnement proche, donc le pylône, capte cette énergie et la re-rayonne. L'énergie transmise au niveau du support fait naître Using the same support tower for antennas operating on transmission and reception necessarily means introducing an element facilitating coupling by conduction currents. The aerial emits high-power radiation (20 W): any metallic object located in its close environment, therefore the pylon, captures this energy and re-radiates it. The energy transmitted at the level of the support gives birth

des courants de conduction se propageant en ondes stationnaires. L'an- conduction currents propagating in standing waves. The year-

tenne de réception capte d'autant mieux cette énergie qu'elle est située sur le même support. Des éléments de découplage doivent donc être montés sur le pylône Le calcul de la puissance transmise le long du pylône nécessite la connaissance de beaucoup de facteurs relatifs à la forme du pylône, à son matériau constitutif, à son haubannage,.. ainsi que la position des reception receiver captures this energy the better it is located on the same support. Decoupling elements must therefore be mounted on the pylon The calculation of the power transmitted along the pylon requires the knowledge of many factors relating to the shape of the pylon, its constituent material, its shrouding, .. as well as the position of

lignes de champ au voisinage du pylône et des antennes. Une telle appro- field lines in the vicinity of the pylon and antennas. Such an approach

che nécessite une étude analytique d'une grande complexité. Pour simpli- che requires an analytical study of great complexity. For simpli-

fier, on assimilera le pylône à une ligne de transmission reliant l'antenne proud, we will assimilate the pylon to a transmission line connecting the antenna

d'émission considérée comme générateur à l'antenne de réception consi- transmission considered as generator at the receiving antenna

dérée comme charge et ayant une constante de propagation + =o+. derée as charge and having a constant of propagation + = o +.

En se référant à la Fig. 1, le coefficient de réflexion à l'entrée de la ligne (niveau de l'antenne d'émission), est re o /:; e-2 Y L o / est le coefficient de réflexion sur la charge et o L est la distance o entre les antennes. La puissance P transmise à l'entrée de la ligne e est P Pasiso l e 4 L et la puissance Pr transmise à la charge est P = Pi'[ fI 2l r l o P. et P! sont les puissances totales respectivement appliquée et Referring to FIG. 1, the reflection coefficient at the input of the line (level of the transmitting antenna), is re o / :; e-2 Y L o / is the reflection coefficient on the load and o L is the distance o between the antennas. The power P transmitted to the input of line e is P Pasiso l e 4 L and the power Pr transmitted to the load is P = Pi '[fI 2l r l o P. and P! are the total powers respectively applied and

% %%%

réfléchie à l'entrée de la ligne et reçue et réfléchie aux bornes de la charge; elles sont reliées par la relation P!= P.' -2o( L R'P=P. e 1 1 Par suite P Pi 1 - | 1| k= = e l l 0 1 -2<L_ v _ k=e 1- 2-4LL Avec le pyl&ie qui sera décrit plus loin, on a trouvé =0,26dB/m |}[ =0,5 Le découplage dû à la distance L séparant les antennes est donné dans la Fig. 2. On voit sur cette figure que pour un écartement L= 22 mètres, reflected at the input of the line and received and reflected at the terminals of the load; they are connected by the relation P! = P. ' -2o (L R'P = P. E 1 1 Subsequently P Pi 1 - | 1 | k = = ell 0 1 -2 <L_ v _ k = e 1- 2-4LL With the pyl & ie which will be described later , we have found = 0.26dB / m |} [= 0.5 The decoupling due to the distance L separating the antennas is given in Fig. 2. We see on this figure that for a spacing L = 22 meters,

le découplage ne dépasse pas 60 dB. the decoupling does not exceed 60 dB.

Conformément à l'invention, on interpose entre les antennes d'émis- According to the invention, interposed between the transmitting antennas

sion et de réception montées sur un seul et même pylône un disque con- and reception mounted on a single pylon a disc

ducteur formant piège à ondes, dont le rayon est égal à un quart de lon- conductor forming a wave trap, the radius of which is equal to a quarter of a

gueur d'onde et dont la position par rapport aux antennes sera discutée wavelength and whose position relative to the antennas will be discussed

plus loin.further.

Conformément à une variante de l'invention, le piège à ondes est constitué de deux disques conducteurs dont les rayons sont égaux au quart de la longueur d'onde et dont l'écartement est aussi égal à un quart de According to a variant of the invention, the wave trap consists of two conductive discs whose radii are equal to a quarter of the wavelength and whose spacing is also equal to a quarter of

longueur d'onde.wave length.

L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 représente une ligne de transmission équivalente au pylSne et a été décrite dans l'entrée en matière; The invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings in which - FIG. 1 represents a transmission line equivalent to pylSne and has been described in the introduction;

- la Fig. 2 est une courbe donnant le découplage en fonction de la dis- - Fig. 2 is a curve giving the decoupling as a function of the dis-

tance entre les antennes quand aucun piège à ondes n'est interposé entre elles; elle a été décrite dans l'entrée en matière; - les Figs.3A,3B S0 représentent les antennes d'émission et de réception; - les Figs. 4 et 5 représentent le diagramme de directivité des antennes des Figs. 3A, 3B et 30 respectivement dans le plan horizontal et dans le plan vertical; - la Fig. 6 représente deux antennes montées sur le même pylône avec un piège à ondes de découplage; - la Fig. 7 représente le disque conducteur servant de piège à ondes; - la Fig. 8 représente deux disques conducteurs servant de piège à ondes; - la Fig. 9 représente sous la forme d'un schéma la disposition de l'antenne basse par rapport au pied de pylône et au piège à ondes; et - la Fig. 10 est une courbe montrant la variation du découplage en fonction tance between the antennas when no wave trap is interposed between them; it was described in the introduction; - Figs.3A, 3B S0 represent the transmit and receive antennas; - Figs. 4 and 5 represent the directivity diagram of the antennas of FIGS. 3A, 3B and 30 respectively in the horizontal plane and in the vertical plane; - Fig. 6 shows two antennas mounted on the same pylon with a decoupling wave trap; - Fig. 7 shows the conductive disc serving as a wave trap; - Fig. 8 shows two conductive discs serving as a wave trap; - Fig. 9 shows in the form of a diagram the arrangement of the low antenna with respect to the pylon base and the wave trap; and - Fig. 10 is a curve showing the variation of the decoupling as a function

de la hauteur de l'antenne basse.the height of the low antenna.

En se référant d'abord à la Fig.6, on a représenté un pyl8rye 1 Referring first to Fig. 6, a pyl8rye 1 is shown

dont la base est mise à la terre et qui est maintenue par des haubans 2. whose base is earthed and which is held by guy wires 2.

Ce pylône a one hauteur de 31 mètres et une base triangulaire équilaté- This pylon has a height of 31 meters and an equilateral triangular base.

rale de 20 cm de c6té. Le pyline est baubanné tous les six mètres. 20 cm side rail. The pyline is banned every six meters.

Une antenne d'émission 10, une antenne de réception 20 et un dispositif de découplage 30 en forme de disque sont fixés au pylône à A transmitting antenna 10, a receiving antenna 20 and a disc-shaped decoupling device 30 are attached to the pylon at

des hauteurs respectives hi, h23 h8. respective heights hi, h23 h8.

Les antennes 10 et 20 (Figs. aA, 33 et 80) sont des dipoles demi-onde The antennas 10 and 20 (Figs. AA, 33 and 80) are half-wave dipoles

à écran réflecteur. Chaque antenne comprend deux écrans réfléchis- with reflective screen. Each antenna includes two reflected screens

sansts parallèles et cbdDs à dos 11 et 12 ou 21 et 22 devant chacun desquels parallel sansts and cbdDs on backs 11 and 12 or 21 and 22 in front of each of which

est situé un dipole demi-onde vertical' respectivement 13 et 14, 23 et 24. is located a vertical half-wave dipole 'respectively 13 and 14, 23 and 24.

La distance entre dipole et écran est substantiellement égale à A/4. The distance between dipole and screen is substantially equal to A / 4.

Les écrans d'une antenne sont écartés d'une quantité variable selon le diagramme de directivité désiré. La Fig. 4 représente pour une fréquence porteuse de f = 159 MHz le diagramme de directivité des antennes 10 The screens of an antenna are spread by a variable amount according to the desired directivity diagram. Fig. 4 represents for a carrier frequency of f = 159 MHz the directivity diagram of the antennas 10

et 20 dans le plan horizontal. Ce diagramme est sensiblement omnidi- and 20 in the horizontal plane. This diagram is substantially omnidi-

rectionnel et il est représenté en trait plein pour une distance entre écrans de 0,25a = 480 mm, en trait tireté pour une distance entre écrans de 0,36 R =680 mm, et en trait - point pour une distance entre écrans and it is shown in solid lines for a distance between screens of 0.25a = 480 mm, in dashed lines for a distance between screens of 0.36 R = 680 mm, and in dashed lines for a distance between screens

de 0,47)= 880mm avec x 1,90 m.0.47) = 880mm with x 1.90m.

La Fig. 5 représente le diagramme de directivité des antennes Fig. 5 shows the antenna directivity diagram

et 20 dans le plan vertical. L'angle d'ouverture à 6 dB est de 100 . and 20 in the vertical plane. The 6 dB opening angle is 100.

Le piège à onde 30 (Figs. 6 et 7) est un disque 300 ayant un rayon égal à /4, soit un rayon de 47,5 cm pour A = 1,90. Le disque se comporte The wave trap 30 (Figs. 6 and 7) is a disc 300 having a radius equal to / 4, ie a radius of 47.5 cm for A = 1.90. The disc behaves

comme une cavité en réflexion.like a cavity in reflection.

Il est connu que le coefficient de réflexion d'une cavité autour de la résonance peut s'écrire: It is known that the reflection coefficient of a cavity around the resonance can be written:

=1 - 2= 1 - 2

o T 1_ 1 +2 Q f/f 1. o o = oo T 1_ 1 +2 Q f / f 1. o o = o

1I+ Z/R1I + Z / R

avec Z = 377 ohms; f = 160 MHz; Lf écart de fréquence par rapport with Z = 377 ohms; f = 160 MHz; Lf frequency deviation from

O OO O

à la résonance; R résistance du disque. to resonance; R resistance of the disc.

Pour Af/f ' O et R= 10 ohms, ontrouve o j =_ 4 x10 -2 et la réflexion est presque totale.' Dans la Fig. 8, le piège à ondes 30 se compose de deux disques 301 et302 accordés en /'/4 et distants de I?./4. Dans le cas o /& = 160 MHz, on prendra deux disques de 47,5 cm de rayon et écartés de 47,5 cm. For Af / f 'O and R = 10 ohms, we find o j = _ 4 x10 -2 and the reflection is almost total.' In Fig. 8, the wave trap 30 consists of two discs 301 and 302 tuned in / '/ 4 and distant from I? ./ 4. In the case o / & = 160 MHz, we will take two disks with a radius of 47.5 cm and spaced 47.5 cm apart.

L'épaisseur des disques 300, 301, 302 est d'environ 4 mm. The thickness of the discs 300, 301, 302 is approximately 4 mm.

L'emplacement du piège à ondes 30 est en un ventre de tension de l'onde stationnaire développée dans le pyl8ne. Pour des raisons de symétrie, il est préférable de placer le piège à ondes à mi-distance des antennes, The location of the wave trap 30 is in a belly of tension of the standing wave developed in the pylon. For reasons of symmetry, it is preferable to place the wave trap halfway between the antennas,

c'est-à-dire à la hauteur (h1 + h2) / 2. i.e. at height (h1 + h2) / 2.

On va maintenant montrer que la distance h2 de l'antenne de récep- We will now show that the distance h2 from the receiving antenna

tion au dessus du sol n'est pas indifférente. La disposition la plus favorable (Fig.9) est celle pour laquelle l'image de l'antenne de réception par rapport au sol et l'image de l'antenne de réception par rapport au disque conducteur sont également éloignées de l'antenne de réception. Ceci correspond au cas h8 =2h2=(h1 +h2) /2 tion above the ground is not indifferent. The most favorable arrangement (Fig. 9) is that for which the image of the receiving antenna relative to the ground and the image of the receiving antenna relative to the conductive disk are also distant from the antenna. reception. This corresponds to the case h8 = 2h2 = (h1 + h2) / 2

On prendra par exemple: h1 = 30 m.Take for example: h1 = 30 m.

h2 = 10 m.h2 = 10 m.

h = 20 m.h = 20 m.

La Fig. 10 montre le découplage entre antennes er, dB en fonction de h2. On voit qu'on obtient un découplage légèrement supérieur à 80 dB Fig. 10 shows the decoupling between er antennas, dB as a function of h2. We see that we get a decoupling slightly higher than 80 dB

pour h2 = 10 m. et que le découplage varie fortement en fonction de h2. for h2 = 10 m. and that the decoupling varies strongly as a function of h2.

La présence du disque piège à ondes modifie la directivité de l'antenne basse. En effet dans le cas de la Fig. 9, il y a un réseau N = 3 antennes, The presence of the wave trap disc modifies the directivity of the low antenna. Indeed in the case of FIG. 9, there is a network N = 3 antennas,

, 201 et 202 (201 conthcide avec 10), les deux images 201 et 202 de t'an- , 201 and 202 (201 conthcide with 10), the two images 201 and 202 of t'an-

tenne de réception 20 sont à la distance relative n = 20/ 1,9 = 10,5 de cette antenne de réception et les deux images sont en opposition de phase (p= 1/2) avec l'antenne elle-même. Le facteur de directivité est donc: Gsn() G3 10 sin3(TY/2 -10,51-ccos) P 1/2 sin (It/2 -10,5 'Mcosg) et tend vers 3 quand, tend vers 0. La directivité est donc augmentée reception antenna 20 are at the relative distance n = 20 / 1.9 = 10.5 from this reception antenna and the two images are in phase opposition (p = 1/2) with the antenna itself. The directivity factor is therefore: Gsn () G3 10 sin3 (TY / 2 -10.51-ccos) P 1/2 sin (It / 2 -10.5 'Mcosg) and tends to 3 when, tends to 0. The directivity is therefore increased

de 9,4 dB par la présence du disque 30. 9.4 dB by the presence of the disc 30.

247838 0247,838 0

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Claims (5)

Revendications.Claims. 1 - Dispositif d'antennes d'émission et de réception dans la gamme 150220 MHz comprenant une antenne d'émission montée sur un pylône, une antenne de réception montée sur le même pylône identique à l'antenne d'émission et réglées sur une même longueur d'onde À, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un disque conducteur ayant un rayon substantiellement égal au quart de la longueur d'onde montée 1 - Device for transmitting and receiving antennas in the 150 220 MHz range comprising a transmitting antenna mounted on a pylon, a receiving antenna mounted on the same pylon identical to the transmitting antenna and adjusted on the same wavelength λ, characterized in that it comprises at least one conductive disc having a radius substantially equal to a quarter of the mounted wavelength sur ledit pylône entre les deux antennes. on said pylon between the two antennas. 2 - Dispositif d'antennes conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que deux disques conducteurs coaxiaux ayant tous deux un rayon substantiellement égal au quart de 2 - Antenna device according to claim 1 characterized in that two coaxial conductive discs both having a radius substantially equal to a quarter of la longueur d'onde et séparés par une distance substantiel- wavelength and separated by a substantial distance- lement égale au quart de la longueur d'onde sont montés sur only equal to a quarter of the wavelength are mounted on ledit pylône entre les deux antennes. said pylon between the two antennas. 3 - Dispositif d'antennes conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que le disque conducteur est à mi-distance 3 - Antenna device according to claim 1 characterized in that the conductive disc is midway des antennes.antennas. 4 - Dispositif d'antennes conforme à la revendication 2 caractérisé en ce que les deux disques conducteurs sont à 4 - Antenna device according to claim 2 characterized in that the two conductive discs are mi-distance des antennes.mid-distance from the antennas. - 5 - Dispositif d'antennes conforme à l'une quelconque - 5 - Antenna device according to any one des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'antenne claims 1 or 2 characterized in that the antenna la plus basse sur le pylône est à égale distance du pied the lowest on the pylon is equidistant from the foot du pylône et du disque ou des disques conducteurs. pylon and conductive disc or discs.