FR2965978A1 - Antenne de grande dimension a ondes de surface et a large bande - Google Patents

Abstract

L'antenne comprend une boucle d'excitation métallique (B1) à positionner à une hauteur (h) d'au moins 1 m environ au-dessus de la surface (SM) d'un milieu conducteur (M) et un moyen d'alimentation (A, L1n) à relier au milieu conducteur. Le périmètre de la boucle est la demi-longueur d'onde de fonctionnement λ/2 environ. La boucle comprend deux portions (l1p-l1n, S1) à peu près parallèles et distantes d'au plus λ/50 environ, aptes à s'étendre à peu près parallèlement à ladite surface dans un plan à peu près perpendiculaire à ladite surface et à être parcourues par des courants de sens opposés. La portion la plus proche de ladite surface comporte une ouverture entre des extrémités (E1p, E1n) de la boucle reliées au moyen d'alimentation. L'antenne est mieux protégée contre des ondes d'espace et son encombrement peut être réduit par repliement.

Description

Antenne de grande dimension à ondes de surface et à large bande

La présente invention concerne une antenne de grande dimension pour émettre et/ou recevoir des ondes de surface dans une large bande de fréquence incluant notamment tout ou partie des fréquences basses, moyennes et hautes comprises entre 30 kHz environ et 30 MHz environ, soit des ondes kilométriques, hectométrique et décamétriques. L'antenne peut être incorporée par exemple dans un système d'émission de forte puissance notamment pour la diffusion de signaux de programmes radiophoniques ou de télévision, un système radar à ondes de surface ou un système de réception et d'interception.

Actuellement, des pylônes rayonnants de grandes dimensions sont utilisés pour émettre de fortes puissances dans les bandes hectométriques. Ces pylônes présentent l'inconvénient d'être coûteux, de nécessiter un important terrain de sécurité pour leur installation, et d'être peu esthétiques et discrets. Ils ne sont pas optimisés pour une diffusion essentiellement par ondes de surface.

Les antennes utilisant uniquement une onde de surface comme vecteur de propagation sont très peu nombreuses. Pour preuve, les systèmes radar à ondes de surface actuels utilisent des antennes de type fouet ou biconiques qui sont mal adaptées pour des applications radar.

Les pylônes rayonnants et en général toutes les antennes à polarisation verticale par exemple de type fouet ou biconique génèrent essentiellement un champ d'onde d'espace et sont coûteux et très peu discrets.

La demande de brevet EP 1 594 186 Al déposée par le demandeur divulgue une antenne de sol de grande dimension pour rayonner une onde de surface kilométrique ou hectométrique. Cette antenne comprend un plan de masse métallique, une boucle d'excitation métallique, et un élément de liaison métallique. Le plan de masse est enfoui. horizontalement à proximité et sous la surface du sol.

La boucle d'excitation est plus longue que 25 m environ pour les longueurs d'ondes kilométriques et hectométriques et ouverte entre deux extrémités et s'étend parallèlement au plan de masse et horizontalement au-dessus de la surface du sol à une hauteur supérieure à 2 m environ par rapport au plan de masse. L'élément de liaison métallique est perpendiculaire à la boucle et relie l'une des extrémités de la boucle d'excitation au plan de masse. La boucle d'excitation et l'élément de liaison sont constitués chacun par au moins un élément cylindrique mince. io La discontinuité entre l'air et le sol, située sur et dans le sol à la périphérie de l'antenne, entre le couple sol et plan de masse métallique, d'une part, et le sol sans le plan de masse métallique, d'autre part, favorise la propagation d'une onde de sol omnidirectionnelle en polarisation verticale. L'ouverture de la boucle Zs d'excitation est petite par rapport à la longueur de la boucle pour à peu près éliminer toute composante de champ électrique horizontale à la surface du sol. L'onde de sol est due à l'injection de courants élevés dans le sol, conséquence d'une résistance ohmique de l'antenne faible, sans aucun rayonnement latéral d'une onde d'espace comparativement 20 à une antenne pylône. Bien que la demande de brevet EP 1 594 186 Al vise à favoriser nettement la propagation par ondes de surface et à minimiser le rayonnement d'une onde d'espace par les pylônes rayonnants, pour notamment éviter des couplages de l'antenne avec des structures 25 proches de l'antenne au-dessus du sol, l'antenne de sol génère une onde d'espace non négligeable pour des angles proches de la normale au plan de sol. Cette onde d'espace a une puissance beaucoup plus faible que celle de l'onde de surface et est évanescente à quelques dizaines de kilomètre au-dessus de la surface du sol. Selon les bandes 30 de fréquences, l'onde d'espace peut se réfléchir sur des couches de l'ionosphère et être à l'origine de phénomènes de fading en combinaison avec une onde de surface. Lorsque l'antenne fonctionne en émission, l'onde d'espace peut perturber des signaux utiles reçus de l'ionosphère par d'autres antennes. Inversement, le fonctionnement

en réception de l'antenne peut être perturbé par une récupération d'ondes d'espace. En outre, l'antenne de sol présente un encombrement surfacique important et une bande passante relativement étroite.

La présente invention a pour objectif de pallier les différents problèmes précités et particulièrement de fournir une antenne à ondes de surface de grande dimension qui présente une protection ionosphérique accrue sur courte et moyennes distances, et une structure propice à une réduction de l'encombrement de l'antenne suivant au moins une dimension de l'espace et à un élargissement de la bande passante.

Pour atteindre cet objectif, une antenne à ondes de surface comprenant une boucle d'excitation métallique apte à être positionnée à une hauteur d'au moins 1 m environ au-dessus de la surface d'un milieu conducteur et un moyen d'alimentation apte à être relié au milieu conducteur, la boucle ayant une longueur de À/2 environ et À désignant la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne, est caractérisée en ce que la boucle d'excitation comprend deux portions à peu près parallèles et distantes d'au plus À/50 environ et aptes à s'étendre à peu près parallèlement à la surface du milieu conducteur dans un plan à peu près perpendiculaire à ladite surface et à être parcourues par des courants de sens opposés, la portion la plus proche de ladite surface comportant une ouverture entre des extrémités de la boucle reliées au moyen d'alimentation. Lesdites deux portions de la boucle d'excitation selon l'invention sont des portions inférieure et supérieure par rapport à la surface du milieu conducteur, tel que de la terre ou la mer, et peuvent constituer approximativement des moitiés de la boucle, les portions restantes de la boucle ayant chacune une longueur d'au plus À/50 environ. La boucle d'excitation est ainsi composée en très grande partie d'une ou de plusieurs paires de portions inférieure et supérieure s'étendant chacune dans un plan à peu près perpendiculaire à la surface du milieu conducteur, les portions inférieure et supérieure d'une paire étant agencées dans la boucle pour qu'elles soient le siège de courants de sens opposés. Ces conditions favorisent nettement la propagation d'une onde de sol omnidirectionnelle en polarisation verticale, dite onde de surface, à la discontinuité entre l'air et le milieu conducteur, à la périphérie de la boucle, au détriment de toute onde d'espace suivant un axe zénithal central à la boucle. L'antenne rayonne ainsi très peu d'onde d'espace en direction d'un axe zénithal central à l'antenne particulièrement parce que des courants en sens inverse, c'est-à-dire quasiment en opposition de phase, circulent dans des portions inférieure et supérieure parallèles de grande dimension. Ceci réduit très significativement la contribution de composantes de champ horizontales pour des angles proches de l'axe zénithal central à l'antenne. L'ouverture de la boucle d'excitation est très petite par rapport au périmètre de la boucle pour à peu près éliminer toute composante de champ électrique parallèle à la surface du milieu conducteur, et donc horizontale. Comme l'antenne selon la demande de brevet EP 1 594 186 Al, l'antenne de l'invention est très discrète et insensible à tout vent, souffle, foudre, séisme ou explosion. L'antenne présente aussi une surface écho radar (SER) très faible. Selon une réalisation, la boucle d'excitation peut être plate et contenue dans un plan à peu près perpendiculaire à la surface du milieu conducteur. Par exemple, la boucle d'excitation peut être rectangulaire et comprendre deux grands côtés formés par les deux portions inférieure et supérieure et longs d'au plus À/4 environ. Selon un aspect de l'invention, l'encombrement de l'antenne peut être réduit suivant des directions longitudinales de l'antenne par un ou plusieurs repliements de longues portions de la boucle d'excitation dans des plans perpendiculaires à la surface du milieu conducteur. Dans ce cas, la boucle d'excitation peut être répartie approximativement en deux demi-boucles qui sont superposées sur deux plans à peu près parallèles à la surface du milieu conducteur et distants d'au plus À/50 et qui ont chacune deux portions à peu près parallèles aptes à être parcourues par des courants de sens opposés.

Chacune des demi-boucles peut comprendre plus de deux portions à peu près parallèles, deux portions voisines dans chaque demi-boucle étant aptes à être parcourues par des courants de sens opposés et deux portions superposées des demi-boucles étant aptes à être parcourues par des courants de sens opposés. Selon certaines réalisations d'antenne "repliée", la boucle d'excitation peut être circonscrite à un parallélépipède ayant des grandes faces à peu près parallèles à la surface du milieu conducteur. Le parallélépipède peut être droit. Par exemple, chacune des demi-boucles peut s'étendre en zigzag sur l'une des grandes faces. Selon un autre exemple, chacune des demi-boucles peut comprendre deux spirales plates rectangulaires ayant des sens opposés et un centre commun et s'étendant sur l'une des grandes faces. Selon une autre réalisation d'antenne repliée, la boucle d'excitation est circonscrite à un 15 cylindre ayant des bases à peu près parallèles à la surface du milieu conducteur, et chacune des demi-boucles comprend deux spirales plates circulaires ayant des sens opposés et un centre commun et s'étendant sur l'une des bases. Pour réduire le couplage notamment entre des portions 20 inférieure et supérieure à peu près parallèles, ou des portions à peu près parallèles dans une demi-boucle, et donc plus généralement entre les demi-boucles superposées, deux portions de la boucle d'excitation à peu près parallèles, superposées et voisines peuvent être distantes d'au moins À/200 environ. 25 Afin d'élargir la bande passante de l'antenne, l'antenne peut comprendre au moins un élément intermédiaire métallique qui est relié à des portions inférieure et supérieure de la boucle d'excitation superposées dans un plan apte à être à peu près perpendiculaire à la surface du milieu conducteur et qui est situé à proximité de petits côtés 30 de la boucle d'excitation à peu près perpendiculaires aux portions superposées. S'agissant du moyen d'alimentation de l'antenne, celui-ci peut comprendre un dispositif d'alimentation en puissance tel qu'un dispositif d'émission si l'antenne fonctionne en émission, ou un 35 dispositif de réception si l'antenne fonctionne en réception, et un ou

deux éléments de liaison métalliques à peu près verticaux reliant le moyen d'alimentation au milieu de propagation. Selon une première réalisation, le moyen d'alimentation ne comprend qu'un élément de liaison métallique, pouvant inclure une impédance terminale, pour relier la boucle d'excitation au milieu conducteur; les bornes du dispositif d'alimentation en puissance sont reliées aux extrémités de la boucle, et l'élément de liaison métallique a une extrémité reliée à la borne négative du dispositif d'alimentation et une autre extrémité apte à être reliée au milieu conducteur. Selon une deuxième réalisation, le moyen io d'alimentation comprend deux éléments de liaison métallique pour relier la boucle d'excitation au milieu conducteur; un élément de liaison métallique a une extrémité reliée à l'une des extrémités de la boucle et une autre extrémité apte à être reliée au milieu conducteur, le dispositif d'alimentation en puissance a une borne positive reliée à l'autre 15 extrémité de la boucle, et un autre élément de liaison métallique pouvant inclure une impédance terminale a une extrémité reliée à une borne négative du dispositif d'alimentation et une autre extrémité apte à être reliée au milieu conducteur. Lorsque le milieu conducteur présente une faible conductivité 20 électrique, l'invention y remédie pour conserver les propriétés de rayonnement par ondes de surface de l'antenne en enfouissant un élément de masse métallique à proximité et sous la surface du milieu conducteur et ayant une surface au moins égale à la projection de la surface de la boucle d'excitation sur la surface du milieu conducteur. 25 Un élément de liaison métallique, qui est unique selon la première réalisation, ou qui est l'un ou l'autre des éléments de liaison métallique selon la deuxième réalisation, a alors son extrémité apte à être reliée au milieu conducteur, qui est reliée à l'élément de masse métallique.

30 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations de l'invention, données à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels:

- la figure 1 est une vue de face verticale schématique d'une antenne avec une boucle rectangulaire et un circuit d'alimentation selon une première réalisation de l'invention, présentant un élément de liaison unique relié à un milieu conducteur de conductivité électrique élevée; - la figure 2 est une vue de face verticale schématique d'une antenne avec une boucle rectangulaire selon la première réalisation et un circuit d'alimentation selon une deuxième réalisation de l'invention, présentant deux éléments de liaison reliés à un milieu conducteur de conductivité électrique élevée; - les figures 3 et 4 sont des vues de face verticale schématiques d'une antenne respectivement selon des variantes des réalisations montrées aux figures 1 et 2, pour un milieu conducteur de conductivité électrique faible; - la figure 5 est une vue de face verticale schématique d'une antenne selon une autre variante de l'antenne montrée à la figure 1, destinée à élargir la bande passante de l'antenne, - la figure 6 est une vue en perspective schématique d'une antenne avec une boucle selon une deuxième réalisation de l'invention qui est destinée à réduire l'encombrement longitudinal de l'antenne comparativement à la première réalisation de la boucle, par repliement suivant un axe zénithal central à boucle de la figure 1; - les figures 7 et 8 sont respectivement une vue de face avant et une vue de côté droit suivant des plans verticaux perpendiculaires XOZ 25 et YOZ de l'antenne montrée à la figure 6; - la figure 9 est une vue en perspective schématique d'une antenne avec une boucle repliée selon une troisième réalisation de l'invention, destinée à réduire davantage l'encombrement longitudinal de l'antenne; 30 - les figures 10, 11 et 12 sont respectivement une vue de dessus, une vue de face avant et une vue de côté droit de l'antenne montrée à la figure 9; - la figure 13 est une vue en perspective schématique d'une antenne avec une boucle contenue dans un parallélépipède et repliée

suivant des spirales d'Archimède selon une quatrième réalisation de l'invention; et - les figures 14 et 15 sont respectivement une vue de dessus et une vue de face avant de l'antenne montrée à la figure 13; - la figure 16 est une vue en perspective schématique d'une antenne avec une boucle contenue dans un cylindre et repliée suivant des spirales d'Archimède selon une cinquième réalisation de l'invention; et - les figures 17 et 18 sont respectivement une vue de dessus et une vue de côté de l'antenne montrée à la figure 16.

En référence à la figure 1, une antenne à ondes de surface selon l'invention est apte à fonctionner à une longueur d'onde utile À d'émission ou de réception. La longueur d'onde utile À correspond à la fréquence centrale de la bande passante de l'antenne qui correspond au moins partiellement à des longueurs d'onde kilométriques et/ou hectométriques et/ou décamétriques. L'antenne selon la première réalisation comprend essentiellement une boucle d'excitation métallique B1 à peu près verticale, et un circuit d'alimentation comprenant un dispositif d'alimentation en puissance A et un élément de liaison conducteur métallique L1 n, à peu près vertical, reliant la boucle d'excitation à un milieu conducteur M de surface SM. Les termes "à peu près vertical" signifie que la boucle d'excitation ou l'élément de liaison peut s'étendre dans un plan perpendiculaire à la surface SM ou dans un plan oblique faisant un angle de quelques degrés avec un plan perpendiculaire à la surface SM; les termes "à peu près horizontal", ou bien "à peu près parallèle" et "à peu près perpendiculaire" employés dans la présente description ont une signification similaire par rapport à un plan ou une droite horizontal, ou bien par rapport à un plan ou une droite déterminé. Le milieu conducteur M fait office de vecteur de propagation d'ondes de surface émises ou reçues par l'antenne. Le milieu M peut avoir une conductivité électrique élevée comme la mer, un marais

salant ou un lac salé, ou une conductivité électrique plus faible, comme la terre ou le sable. Dans la suite de la description, un signe de référence aux dessins comportant la lettre p, respectivement n, désigne un élément ou une portion d'élément ou de boucle d'excitation relié à la borne positive, respectivement négative, du dispositif d'alimentation A ou situé du côté de celle-ci le long de la boucle d'excitation.

La boucle d'excitation métallique B1 s'étend à peu près verticalement au-dessus de la surface SM à une hauteur comprise entre h et H. Selon la réalisation illustrée à la figure 1, la boucle B1 est rectangulaire et composée de deux grands côtés 11p-11n et S1 à peu près horizontaux et de deux côtés à peu près verticaux V1 p et V1 n nettement plus petits. Le grand côté inférieur 11p-11n est situé à la hauteur h par rapport à la surface SM. Le grand côté supérieur S1 est situé à la hauteur H par rapport à la surface SM. La différence de hauteur H - h est la longueur des petits côtés V1 p et V1 n qui est au moins égale à À/200 environ de manière à réduire le couplage entre les grands côtés 11p-11n et S1 de la boucle à l'origine de la création d'un mode de transmission pour ligne bifilaire diminuant le rendement de l'antenne. Afin de rayonner très peu d'ondes d'espace en direction d'un axe zénithal central Z1-Z2 à la boucle B1, la différence de hauteur H - h est au plus égale à À/50 environ de façon à ce que les grands côtés 11 p-11 n et S1 de la boucle B1 se trouvent proches et les courants dans ceux-ci soient de sens opposés. Comme on le verra par la description des autres réalisations d'antenne, la forme de la boucle n'est pas limitée à un rectangle et est déterminée en fonction de la pureté de la polarisation essentiellement verticale d'une onde de surface et l'omnidirectivité à la surface SM souhaitées pour l'antenne.

La hauteur H est d'au moins 2 m environ pour les ondes kilométriques et hectométriques et d'au moins 1 m environ pour les ondes décamétriques. La distance moyenne (H + h)/2 entre la boucle B1 et la surface SM ne doit pas être trop grande afin de coupler le plus possible d'énergie radioélectrique à la surface SM pour que l'antenne rayonne une onde de surface au-dessus de la surface SM. Les

hauteurs h et H ne sont pas nécessairement constantes sur la longueur de la boucle, tout comme la différence H - h qui n'est pas nécessairement constante; par conséquent les grands côtés 11p-11n et S1 sont "à peu près parallèles" entre eux et chacun d'eux est "à peu près parallèle" à la surface SM. La discontinuité entre l'air et le milieu conducteur M à la périphérie de la boucle d'excitation favorise une polarisation verticale du champ électrique par rapport à laquelle la composante de champ électrique horizontale est négligeable dans la propagation d'onde surface par l'antenne, d'autant plus que la boucle d'excitation est régulière et quasiment fermée. Les lignes de champ électrique sont distribuées quasiment uniformément vers tous les azimuts autour de l'axe Z1-Z1 de la boucle ce qui signifie que l'antenne est omnidirective. Typiquement la boucle a un périmètre égal à la demi-longueur d'onde utile À/2, à ± À/8 près environ, soit une longueur L/2 ~ À/4 des grands côtés 11p-11n et S1 de l'ordre de 25 m à 250 m pour une fréquence centrale hectométrique de la bande utile. Selon d'autres réalisations, la forme de la boucle d'excitation B1 est longiligne et polygonale ou elliptique de sorte que deux longues portions telles que les grands côtés 11p-11n et S1 soient à peu près parallèles dans un plan à peu près perpendiculaire à la surface SM du milieu conducteur M. Toutefois, pour rayonner très peu d'ondes d'espace en direction d'un axe zénithal central Z1-Z1 de la boucle, le profil de la boucle est conçu de façon à ce que les portions de la boucle, tels que les côtés 11p-11n et S1 d'une boucle rectangulaire, situées à peu près parallèlement à la surface SM et de dimensions au moins supérieures à x/50 environ soient le siège de courants de sens opposés. Le grand côté inférieur 11p-11n est constitué de deux portions à peu près colinéaires Il p et 11 n entre les extrémités en regard E1 p et E1 n de la boucle B1 qui délimitent une petite ouverture E1 p-E1 n dont la largeur est très petite vis-à-vis de la longueur d'onde À. L'ouverture E1 p-E1 n peut être pratiquée n'importe où le long du grand côté 11 p-11 n. Selon la figure 1, l'ouverture E1 p-E1 n est au milieu du grand côté inférieur 11p-11n. Compte tenu de l'étroitesse de l'ouverture par rapport à la longueur de la boucle, la boucle est considérée comme "fermée".

Il

La boucle d'excitation B1 peut être soutenue dans un plan perpendiculaire à la surface SM par des poteaux isolants (non représentés) régulièrement répartis le long de la boucle. Par exemple chaque poteau soutien à la fois les grands côtés 11p-11n et S1. Les poteaux isolants peuvent être fixés dans le milieu conducteur M si la profondeur du milieu s'y prête, ou être fixés sur un support flottant sur la surface SM si le milieu est de l'eau. Selon l'application visée et les puissances d'utilisation, la boucle d'excitation B1 est réalisée en tube ou en fil métallique multibrin ou monobrin. L'élément de liaison conducteur L1 n est à peu près vertical et relie l'une E1 n des extrémités de la boucle B1 au niveau de l'ouverture E1 p-E1 n au milieu conducteur M. L'élément L1 n referme la boucle B1 sur le milieu conducteur M situé sous la surface SM. L'élément L1 n peut être constitué par un piquet ou un tube métallique de diamètre compris préférentiellement entre 5 et 50 mm et ayant une extrémité inférieure plongeant de quelques dizaines de centimètre dans le milieu conducteur M sous la surface SM. La constitution matérielle de la boucle d'excitation et de l'élément de liaison peut aussi être réalisée selon d'autres variantes décrites dans la demande de brevet EP 1 594 186 Al, telles qu'une nappe ou une cage de fils métalliques parallèles. L'élément de liaison L1 n peut inclure une impédance terminale Zt qui est optionnelle et qui peut être remplacée par un simple court- circuit. L'impédance terminale peut être réactive ou résistive. Elle peut être réglable selon les besoins pour ajuster la fréquence de fonctionnement de l'antenne correspondant à À, ajuster la bande passante de l'antenne ou ajuster l'impédance d'entrée de l'antenne. L'influence du caractère capacitif et/ou inductif et/ou résistif de l'impédance terminale Zt sur les caractéristiques de fonctionnement de l'antenne, telles que la fréquence de fonctionnement, la bande passante et l'adaptation d'impédance, est similaire à celle décrite dans la demande de brevet EP 1 594 186 A1. Le dispositif d'alimentation en puissance A alimente la boucle B1 et peut être un dispositif d'émission ou de réception selon que

l'antenne fonctionne en émission ou réception. Selon la figure 1, le dispositif d'alimentation A a des bornes positive et négative reliées respectivement aux extrémités E1 p et E1 n de la boucle B1 au niveau de l'ouverture E1 p-E1 n, le cas échéant par un ou deux d'éléments intermédiaires métalliques L2p et L2n qui peuvent être des fils électriques ou avoir une constitution similaire à celle de l'élément de liaison L1 n. Dans une réalisation particulière, au moins l'un des éléments intermédiaires L2p et L2n a une longueur nulle et la borne correspondante du dispositif d'alimentation A est directement connectée à une extrémité de la boucle d'excitation B1. Selon la deuxième réalisation montrée figure 2, un autre élément de liaison conducteur L3n relie la borne négative du dispositif d'alimentation A au milieu conducteur M situé sous la surface SM, comme la deuxième extrémité de l'élément de liaison L1 n opposée à l'extrémité E1 n de la boucle d'excitation B1 et plongeant dans le milieu conducteur M sous la surface SM. Les longueurs des éléments de liaison L2p et L3n sont déterminées de sorte que la partie réelle de l'impédance de l'antenne ramenée aux bornes du dispositif d'alimentation A soit égale à l'impédance caractéristique du dispositif d'alimentation. Dans des variantes des réalisations illustrées aux figures 1 et 2, l'antenne est exploitée au-dessus d'un milieu conducteur imparfait M à faible conductivité électrique tel que de la terre ou du sable, situé sous la surface SM, comme montré aux figures 3 et 4. Dans ces variantes, un élément de masse métallique EM est enfoui à proximité et sous la surface SM. L'élément de masse métallique EM est relié à la deuxième extrémité de l'élément de liaison L1 n selon la figure 3 correspondant à la première réalisation du circuit d'alimentation, ou aux extrémités des éléments de liaison L3n et L1 n dans le milieu M selon la figure 4 correspondant à la deuxième réalisation du circuit d'alimentation. La profondeur à laquelle l'élément de masse EM est enfoui en dessous de la surface SM est relativement petite, de quelques dizaines de centimètres environ, pour favoriser une onde de surface au-dessus de la surface SM et défavoriser toute onde guidée sous la surface SM.

L'élément de masse EM peut être un fil ou une tige métallique, ou une

plaque pleine ou grillagée selon des réalisations décrites dans la demande de brevet EP 1 594 186 Al. II assure une excellente continuité électrique afin de contribuer au caractère omnidirectionnel de l'antenne et conserver ainsi les propriétés de rayonnement par ondes de surface de l'antenne. Lorsque le milieu conducteur M est particulièrement de l'eau de mer, l'élément de masse P peut être en métal galvanisé ou enrobé dans une gaine plastique, et être insensible aux attaques chimiques dans le milieu M. L'élément de masse EM peut présenter divers contours du type circulaire ou polygonal afin qu'il recouvre une surface au moins égale, voire très supérieure, à la projection de la surface de la boucle d'excitation sur la surface SM. Cette caractéristique évite des effets de bords de champ électrique entre la boucle d'excitation et l'élément de masse et améliore le confinement des lignes de champ électrique sous la boucle d'excitation. Pour une boucle d'excitation s'étendant dans un plan vertical XOZ comme représenté aux figures 3 et 4, l'élément plan EM a une longueur au moins égale à la longueur L/2 des grands côtés 11p-11n et S1 de la boucle B1, soit supérieure à environ la demi-longueur de la boucle, et une largeur au minimum de quelques dizaines de centimètres. Selon une variante de la première réalisation de la boucle B1, au moins un élément intermédiaire métallique Vip, Vin est relié, par exemple par soudure, aux grands côtés 11p-11n et S1 de la boucle d'excitation B1, comme montré à la figure 5. L'élément intermédiaire métallique est à peu près perpendiculaire aux grands côtés et peut avoir une constitution similaire à celle de la boucle B1. En variante, un ou plusieurs éléments intermédiaires Vip sont placés dans un seul côté de la boucle B1 par rapport à l'ouverture E1 p-E1 n de la boucle, et/ou un ou plusieurs éléments intermédiaires Vin sont placés dans l'autre côté de la boucle par rapport à l'ouverture. Les éléments intermédiaires métalliques Vip et Vin sont situés à proximité des extrémités longitudinales de la boucle d'excitation B1, par exemple à quelques mètres des petits côtés V1 p et V1 n. Les éléments intermédiaires sont destinés à élargir la bande passante de l'antenne autour de la

fréquence de résonance de l'antenne, sans modifications significatives des caractéristiques de rayonnement de l'antenne.

Bien que les antennes décrites ci-après et montrées aux figures 5 à 18 comprennent un circuit d'alimentation selon la première réalisation montrée à la figure 1, les circuits d'alimentation montrés aux figures 2, 3 et 4 sont aptes à alimenter les boucles d'excitation de ces antennes. Chacune de ces boucles d'excitation peut comprendre un ou plusieurs éléments intermédiaires tels que les éléments Vip et Vin montrés à la figure 5, entre des portions inférieure et supérieure de la boucle d'excitation, ou plus généralement entre des "demi"-boucles inférieure et supérieure de la boucle d'excitation, pour élargir la bande passante des antennes.

En se référant maintenant aux figures 6 à 8, la boucle d'excitation B2 d'une antenne selon la deuxième réalisation est basée sur un repliement d'une première moitié de la boucle d'excitation B1 comprenant la portion 11 n du grand côté inférieur, le petit côté V1 n et une moitié du grand côté supérieur S1 vers la seconde moitié de la boucle B1 autour de l'axe zénithal central Z1-Z1 de la boucle B1, comme indiqué par la flèche F2 dans la figure 5. La boucle B2 comprend ainsi approximativement deux "demi"-boucles sur les faces avant (figure 7) et arrière ou les faces inférieure et supérieure d'un long parallélépipède étroit à peu près droit. Ce parallélépipède enveloppant la boucle B2 a une longueur L/4 environ et une hauteur H - h. Le parallélépipède s'étend non seulement longitudinalement suivant un plan vertical XOZ (figure 7), mais aussi latéralement suivant un plan vertical YOZ (figure 8) perpendiculaire au plan XOZ. Deux portions longitudinales supérieures S2p et S2n de la boucle B2 correspondant aux deux moitiés de la portion supérieure S1 de la boucle B1 sont raccordées par une courte portion horizontale S21 p. L'extrémité de la portion inférieure 12n de la boucle B2 correspondant à la portion supérieure 11 n de la boucle B1 rabattue vers l'arrière est raccordée par une courte portion horizontale I21 n qui est parallèle à la portion S21 p et située avec celle-ci sur un côté vertical latéral du parallélépipède.

Depuis l'extrémité E2p de la boucle d'excitation B2 reliée à la borne positive du dispositif d'alimentation A, la boucle B2 comprend une longue portion inférieure longitudinale 12p, une courte portion verticale V2p de hauteur H - h, une longue portion supérieure longitudinale S2p située au-dessus de la portion 12p et délimitant avec les portions 12p et V2p la face avant du parallélépipède, une courte portion latérale S21 p, une longue portion supérieure longitudinale S2n et délimitant avec les portions S2p et S21 p la face supérieure du parallélépipède, une courte portion verticale V2n de hauteur H - h située avec la courte portion V2p dans un plan perpendiculaire aux portions longitudinales, une longue portion inférieure longitudinale 12n située au-dessous de la portion S2n et délimitant avec les portions S2n et V2n la face arrière du parallélépipède, et une courte portion latérale I21 n située au-dessous de la portion S21 p, délimitant avec les portions 12p et 12n la face inférieure du parallélépipède et terminée par l'autre extrémité E2n de la boucle d'excitation B2. La longueur des portions latérales à peu près horizontales I21 n et S21 p définit la largeur W de la boucle B2 dans un plan vertical YOZ qui très inférieure à À de manière à ce que les deux portions parallèles situées dans chacune des faces longitudinales du parallélépipède soient parcourues au plus près par des courants de sens opposés. Dans ces conditions, les composantes secondaires du champ électrique générées dans des plans horizontaux sont très fortement restreintes suivant des directions proches de l'axe zénithal central Z2- Z2 de la boucle B2. La longueur des portions latérales I21 n et S21 p est cependant au moins égale à À/200 environ afin d'éviter des couplages trop élevés entre les portions longitudinales 12p et 12n et S2p et S2n qui entraînent une diminution importante du rendement de l'antenne. La développante de la boucle d'excitation repliée B2 est dans ce cas plus longue que la développante de la boucle d'excitation B1. Pour une même fréquence de résonance, la longueur de la développante de la boucle repliée B2 présentée à la figure 6 est fonction de la longueur des portions I21 n et S21 p. La bande passante est également réduite en raison de l'augmentation du facteur de qualité de l'antenne.

Cependant cette réduction de bande passante peut être compensée

par l'adjonction d'éléments métalliques intermédiaires Vip entre les portions inférieure 12p et supérieure S2p et/ou d'éléments métalliques intermédiaires Vin entre les portions inférieure 12n et supérieure S2n, comme ceux montrés à la figure 5.

Le principe du repliement de la boucle d'excitation sur elle-même, tel que présenté aux figures 6 à 8, peut être étendu à de multiples repliements successifs moyennant une augmentation proportionnelle de la développante de l'antenne et une réduction de la bande passante pour une même fréquence de résonance.

En référence aux figures 9 à 12, la boucle d'excitation B3 d'une antenne selon la troisième réalisation est basée sur des repliements des tiers situés à gauche et à droite de la boucle B1 dans la figure 5 respectivement vers l'avant et l'arrière du tiers central de la boucle B1. Le tiers gauche de la boucle d'excitation B3 est situé dans un plan vertical avant situé devant le tiers central de la boucle B1 après repliement autour d'un axe zénithal de la boucle B1 situé à l'extrémité gauche du tiers central, comme indiqué par la flèche F3p dans la figure 5. Le tiers droit de la boucle d'excitation B3 est situé dans un plan vertical arrière situé derrière le tiers central de la boucle B1 après repliement autour d'un axe zénithal de la boucle B1 situé à l'extrémité droite du tiers central, comme indiqué par la flèche F3n dans la figure 5. La boucle d'excitation B3 selon la troisième réalisation comprend ainsi approximativement trois tiers 13p-S3p (figure 11), 13cp-13cn-S3c et 13n-S3n de boucle sur chacune de faces verticales avant, centrale et arrière d'un parallélépipède étroit à peu près droit. Ce parallélépipède enveloppant la boucle B3 a une longueur L/6 environ et une hauteur H - h. La boucle B3 est constituée approximativement de deux "demi"- boucles 13p-13cp-13cn-13n et S3p-S3c-S3n (figure 11) sur chacune des grandes faces horizontales inférieure et supérieure du long parallélépipède. Une extrémité gauche de la portion inférieure avant 13p de la boucle B2 correspondant au tiers gauche de la portion inférieure 11 p de la boucle B1 rabattue vers l'avant et une extrémité gauche de la portion supérieure avant S3p de la boucle B2

correspondant au tiers gauche de la portion supérieure S1 p de la boucle B1 rabattue vers l'avant sont raccordées respectivement par deux courtes portions latérales horizontales I31 p et S31 p qui sont parallèles et situées dans un côté vertical gauche du parallélépipède.

Une extrémité droite de la portion inférieure arrière 13n de la boucle B2 correspondant au tiers droit de la portion inférieure Il n de la boucle B1 rabattue vers l'arrière et une extrémité droite de la portion supérieure arrière S3n de la boucle B2 correspondant au tiers droit de la portion supérieure S1 p de la boucle B1 rabattue vers l'arrière sont raccordées respectivement par deux courtes portions latérales horizontales I31 n et S31 n qui sont parallèles et situées dans un côté vertical droit du parallélépipède. Depuis l'extrémité E3p de la boucle d'excitation B3 reliée à la borne positive du dispositif d'alimentation A, la boucle B3 comprend la "demi"-portion longitudinale centrale inférieure 13cp, la courte portion latérale inférieure 131 p, la longue portion inférieure avant longitudinale 13p, une courte portion verticale V3p de hauteur H - h, la longue portion supérieure avant longitudinale S3p, la courte portion latérale supérieure S31 p, la longue portion supérieure centrale longitudinale S3c, la courte portion latérale supérieure S31 n, la longue portion supérieure arrière longitudinale S3n, une courte portion verticale V3n de hauteur H-h, la longue portion inférieure arrière longitudinale 13n, la courte portion latérale inférieure I31 n et la "demi"-portion longitudinale horizontale centrale inférieure 12n terminée par l'autre extrémité E3n de la boucle d'excitation B3.

La longueur des portions latérales horizontales 131 p, 131 n, S31 p et S31 n définit la demi-largeur W de la boucle B3 dans un plan vertical YOZ qui est comprise entre À/200 et À/50 et donc très inférieure à À de manière à ce que les deux portions longitudinales parallèles situées dans chacune des trois faces longitudinales avant, intermédiaire et arrière et deux portions longitudinales parallèles voisines parmi trois situées dans chacune des deux faces longitudinales centrale et supérieure du parallélépipède soient parcourues au plus près par des courants de sens opposés. Toutefois en variante, la longueur des portions latérales superposées I31 p et S31 p peut être différente de la longueur des portions latérales superposées I31 n et S31 n, et la face 2965978 ls

verticale contenant les portions longitudinales parallèles 13cp, 13cn et S3c peut être à des distances différentes des faces avant et arrière. Ces conditions optimisent l'efficacité de rayonnement de l'antenne et minimisent l'émission ou la réception du champ électromagnétique 5 dans les directions proches de l'axe zénithal central de l'antenne.

Au lieu de répartir en zigzag les portions longitudinales dans les faces inférieure et supérieure comme dans la boucle B3, la boucle d'excitation B4 d'une antenne selon la quatrième réalisation montrée io aux figures 13 à 15 comprend approximativement une "demi"-boucle inférieure formée par deux spirales plates rectangulaires 14p et 14n ayant des sens opposés et un centre commun et une "demi"-boucle supérieure formée par deux spirales plates rectangulaires S4p et S4n ayant des sens opposés et un centre commun. Les demi-boucles 14p- 15 14n et S4p-S4n sont circonscrites respectivement aux grandes faces inférieure et supérieure d'un parallélépipède à peu près droit de hauteur H - h, de longueur 5xp1 et de largeur 4xp2 selon l'exemple illustré à la figure 14. Le pas longitudinal p1 et le pas latéral p2 des spires des spirales peuvent être a priori différents et sont nettement 20 inférieur à À, par exemple compris entre À/120 et À/80. Les grandes faces inférieure et supérieure du parallélépipède sont à peu près parallèles à la surface SM du milieu conducteur M. Les spirales supérieures S4p et S4n sont à peu près superposées verticalement respectivement aux spirales inférieures 14p et 14n. Des courtes portions 25 verticales V4p et V4n de la boucle d'excitation B4 ont une hauteur H - h et relient respectivement des extrémités périphériques des spirales 14p et S4p et des extrémités périphériques des spirales 14n et S4n. Dans la réalisation illustrée aux figures 13 à 15, les extrémités E4p et E4n de l'ouverture de la boucle B4 située au centre de la demi-boucle 14p-14n, 30 les spirales inférieures 14p et 14n et les spirales supérieures S4p et S4n sont respectivement symétriques par rapport à un axe central zénithal Z4-Z4 de la boucle B4 passant par les centres des spirales et des faces inférieure et supérieure du parallélépipède. Dans chacune des grandes faces inférieure et supérieure du 35 parallélépipède, la propriété que deux portions voisines longitudinales

ou transversales des demi-boucles sont parcourues par des courants de sens opposés est conservée. La réduction de l'encombrement de la boucle d'excitation B4 par enroulement de la boucle sur elle-même est plus réduit que dans les boucles précédentes.

En variante, au lieu que le pas soit constant, le pas peut être variable par exemple pour former des spirales logarithmiques inférieures et supérieures de la boucle. Plus généralement, un pas variable pour chaque spire des demi-boucles peut être choisi dans la mesure où les restrictions sur la distance entre les spires sont respectées de façon à conserver une efficacité de rayonnement significative du même ordre de grandeur que dans les boucles B2 et B3 obtenues par repliement.

La boucle B5 selon la cinquième réalisation montrée aux figures 15 à 18 comprend approximativement une demi-boucle inférieure formée par deux spirales d'Archimède circulaires plates 15p et 15n ayant des sens opposés et un centre commun et une demi-boucle inférieure formée par deux spirales d'Archimède circulaires plates S5p et S5n ayant des sens opposés et un centre commun. Les demi- boucles 15p et 15n et S5p et S5n sont circonscrites respectivement aux bases inférieure et supérieure d'un cylindre ayant une hauteur H - h, un rayon p et un axe zénithal Z5-Z5 passant par les centres des spirales et de l'ouverture E5p-E5n de la boucle B5 située au centre de la demi-boucle inférieure 15p-15n. Les bases du cylindre sont à peu près parallèles à la surface SM du milieu conducteur M et sont par exemple circulaires ou elliptiques, ou bien le cylindre est remplacé par un prisme à bases polygonales. Des courtes portions verticales V5p et V5n de la boucle d'excitation B5 ont une hauteur H - h et relient respectivement des extrémités périphériques des spirales 15p et S5p et des extrémités périphériques des spirales 15n et S5n.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1 - Antenne à ondes de surface comprenant une boucle d'excitation métallique (B1) apte à être positionnée à une hauteur (h) d'au moins 1 m environ au-dessus de la surface (SM) d'un milieu conducteur (M) et un moyen d'alimentation (A, L1 n) apte à être relié au milieu conducteur, la boucle ayant une longueur de À/2 environ et À désignant la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne, caractérisée en ce que la boucle d'excitation (B1) comprend deux lo portions (11p-11n, S1) à peu près parallèles et distantes d'au plus À/50 environ et aptes à s'étendre à peu près parallèlement à la surface (SM) du milieu conducteur (M) dans un plan à peu près perpendiculaire à ladite surface et à être parcourues par des courants de sens opposés, la portion (11p-11n) la plus proche de ladite surface comportant une 15 ouverture entre des extrémités (E1 p, E1 n) de la boucle (B1) reliées au moyen d'alimentation (A, L1 n).
2. 2 - Antenne selon la revendication 1, dans laquelle la boucle d'excitation (B1) est rectangulaire et comprend deux grands côtés 20 formés par lesdites deux portions (11p-11n, S1) et longs d'au plus À/4 environ.
3. 3 - Antenne selon la revendication 1, dans laquelle la boucle d'excitation (B2) est répartie approximativement en deux demi-boucles 25 qui sont superposées sur deux plans à peu près parallèles à la surface (SM) du milieu conducteur (M) et distants d'au plus À/50 et qui ont chacune deux portions (12p, 12n; S2p, S2n) à peu près parallèles aptes à être parcourues par des courants de sens opposés. 30
4. 4 - Antenne selon la revendication 3, dans laquelle chacune des demi-boucles comprend plus de deux portions à peu près parallèles (13p, 13cp-13cn, 13n; S3p, S3c, S3n; ou 14p, 14n; S4p, S4n; ou 15p, 15n; S5p, S5n), deux portions voisines dans chaque demi-boucle étant aptes à être parcourues par des courants de sens opposés et deux portions superposées des demi-boucles étant aptes à être parcourues par des courants de sens opposés. - Antenne selon la revendication 4, dans laquelle la boucle 5 d'excitation (B3) est circonscrite à un parallélépipède ayant des grandes faces à peu près parallèles à la surface (SM) du milieu conducteur (M), et chacune des demi-boucles (13p-13cp-13cn-13n, S3p-S3c-S3n) s'étend en zigzag sur l'une des grandes faces. 6 - Antenne selon la revendication 4, dans laquelle la boucle d'excitation (B4) est circonscrite à un parallélépipède ayant des grandes faces à peu près parallèles à la surface (SM) du milieu conducteur (M), et chacune des demi-boucles comprend deux spirales plates rectangulaires (14p, 14n; S4p, S4n) ayant des sens opposés et un centre commun et s'étendant sur l'une des grandes faces. 7 - Antenne selon la revendication 4, dans laquelle la boucle d'excitation (B5) est circonscrite à un cylindre ayant des bases à peu près parallèles à la surface (SM) du milieu conducteur (M), et chacune des demi-boucles comprend deux spirales plates circulaires (15p, 15n; S5p, S5n) ayant des sens opposés et un centre commun et s'étendant sur l'une des bases. 8 - Antenne selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle deux portions (11 p-11 n, S1; 12p, 12n; S2p, S2n) de la boucle d'excitation (B1; B2) à peu près parallèles, superposées et voisines sont distantes d'au moins À/200 environ. 9 - Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant au moins un élément intermédiaire métallique (Vip; Vin) qui est relié à des portions (11 p-11 n, S1) de la boucle d'excitation (B1) superposées dans un plan apte à être à peu près perpendiculaire à la surface (SM) du milieu conducteur (M) et qui est situé à proximité de petits côtés (V1 p, V1 n) de la boucle d'excitation (B1) à peu près perpendiculaires aux portions superposées.10 - Antenne selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle le moyen d'alimentation comprend un dispositif d'alimentation en puissance (A) ayant des bornes positive et négative reliées aux s extrémités (E1 p, E1 n) de la boucle (B1), et un élément de liaison métallique (L1 n) ayant une extrémité reliée à la borne négative du dispositif d'alimentation et une autre extrémité apte à être reliée au milieu conducteur (M). io 11 - Antenne selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle le moyen d'alimentation comprend un élément de liaison métallique (L1 n) ayant une extrémité reliée à l'une (E1 n) des extrémités de la boucle (B1) et une autre extrémité apte à être reliée au milieu conducteur (M), un dispositif d'alimentation en puissance (A) ayant une 15 borne positive reliée à l'autre extrémité (E1 p) de la boucle, et un élément de liaison métallique (L3n) ayant une extrémité reliée à une borne négative du dispositif d'alimentation et une autre extrémité apte à être reliée au milieu conducteur (M). 20 12 - Antenne selon la revendication 10 ou 11, dans laquelle l'extrémité d'un élément de liaison métallique (L1 n; L3n) apte à être reliée au milieu conducteur (M) est apte à être reliée à un élément de masse métallique (EM) enfoui à proximité et sous la surface (SM) du milieu conducteur (M) et ayant une surface au moins égale à la 25 projection de la surface de la boucle d'excitation (B1) sur la surface du milieu conducteur.