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PERFECTIONNEMENTS AUX SYSTEMES D'ANTENNES.
La présente invention se rapporte à des perfectionne- ments aux systèmes d'antennes et, plus.particulièrement aux groupes et ensembles d'antennes destinés à la diffusion de l'énergie aux fréquences 'très 'élevées*
Dans les systèmes de radiodiffusion aux',fréquences très élevées, tels qu'utilisés pour la transmission de la télévision et de la modulation de fréquence, certains problèmes nouveaux se posent
Comme la portée d'es fréquences très ,élevées est généralement bornée à la-ligne de visibilité directe, il est à désirer que l'antenne de radiodiffusion soit montée aussi haut que possible au-dessus de la terre.
Il est également désirable que le diagramme de radiation de l'entenne soit dirigé horizontalement, pour que le niveau du . signal soit élevé en des points éloignés de l'émetteur. Pour obte- - .
-nir une telle concentration d'énergie, il'est nécessaire de prévoir ,
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un groupement d'antennes élémentaires ou d'autres moyens de concen= trer l'énergie. Comme l'antenne doit être supportée à une grande hauteur et qu'elle est constituée par un'groupement d'éléments, il est essentiel, pour des raisons pratiques, que les dits éléments soient relativement petits et qu'ils aient une caractéristique de radiation prononcée, afin qu'une bonne intensité de réception puis- se être obtenue sans ou'il soit nécessaire de déployer, à une grande hauteur au-dessus du sol, une construction importante ou un ensemble d'antennes de grandes dimensions.
De plus, l'antenne étant d'ordinaire montée .en un point relativement inaccessible, tel qu'un mêt, ou un pylône au sommet d' 'un édifice élevé, il est à désirer que les antennes élémentaires soient faites de manière à ne nécessiter qu'un minimum d'entretien.
Les stations de radiodiffusion et, en particulier, cel- les destinées à la télévision ou à la modulation,de .fréquence, sont généralement'situées dans des zones à population dense pour qu'elles atteignent le plus grand nombre possible d'auditeurs dans leur rayon d'action, 'relativement restreint. En conséquence, les élé- ments d'antennes peuvent être disposés au-dessus de la tête des passants et les risques consécutifs à l'accumulation de glace sur les dits éléments seraienttrès élevés. La glace accumulée sur eux au cours d'une chute de grésil peut tomber et causer des dommages con- sidérebles aux passants, aussi bien qu'aux objets inaimés.
De plus, de telles accumulations de glace peuvent tomber d'un élément de l'an- tenne sur un autre, en endommageant' certaines de leurs,parties, tel- -les que les isolateurs.
Un autre point digne de considération dans les antennes de radiodiffusion est le facteur d'isolement. Dans de tels systè- mes de radiodiffusion'la puissance est, d'ordinaire, élevée, et, en conséquence, tous isolateurs utilisés dans l'antenne peuvent être appelés à supporter des tensions électriques considérables.
L'invention , pour but la constitution d'un système d'an- tenne de radiodiffusion, utilisable aux très hautes fréquences, dans
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lequel les antennes.élémentaires soient de petites dimensions et , aient .un débit de puissance relativement élevée.
..L'invention a également pour but. la constitution d'an- ténnes élémentaires susceptibles d'être supportées par un mât ou
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support'métallique sans nécessite:" d'aucun isolement par rapport à. ûelui-ci.
Le système d'antennes de'radiodiffusion, objet de,llin- vèntion*,, doit pouvoir être, monté facilement en un endroit relative- ment inaccessible, être relativement petit pour une concentration donnée d'énergie^et exiger un minimum de'surveillance.
Le dit système doit encore fonctionner de manière produire des ondes à polarisation horizontale'pratiquement pure, L'invention,'avec ses buts'et,caractéristiques, sera ,mieux comprise à la lecture-de la description qui va suivre et à
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'l'examen des dessins joints, qui en représentent schématiqueinent, à . titre d'exemples non limitatifs, quelques modes de mise en oeuvre.
.La'.figure l'est relative à un groupe d'antennes conforme à l'invention.-
Les courbes-de,la figure 3'sont illustratives des ca-
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ractéristiques 'd'un ensemble d'antennes suivant l'invention.
La figure 3 représente schématiquement une tonne préfé- rée.d'antenne élémentaire également conforme à l'invention.
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Les fi;ures4, et 5 indiquent la disposition constructive d'une antenne suivant l'invention.. ' La.figure 6 est, relative â.,un, détai'-l dej3 lignes dtex- citation utilisées avec les antennes envisagées. là figure 7 représente le montage en grou.pé de plusieurs éléments d'antenne du type représenté aux figures 4 et 5,..
'La figure 8 montre un système'de chauffage susceptible d'utilisation avec-les antennes.décrites et'représentées.
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Les. figures 9 ét '10 représentent des variantes.'de con-' atruction d'antennes des. types représentés aux figures 5, 4,.et Les figures,il.et 12 s6àt:relatives à.d'autres variantes
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des antennes élémentaires.
Sur la figure 1, le nombre 10 .désigne ,un pylône ou un mât de support, sur lequel sont montées des antennes élémentaires 11, 12 et 13. Les dites antennes élémentaires sont telles que le diagramme de radiation de chaque élément consiste en une figure to- roldale dont le minimum est au centre de l'élément et que sa radia- tion dans le -plan horizontal soit pratiquement circulaire.
-Il est connu de produire une concentration horizontale de l'énergie en disposant les antennes élémentaires en groupe verti- cal. Toutefois, si l'on utilise des dipôles croisés, il est. évident qu'il y a lieu de prévoir deux antennes élémentaires en' chaque point, pour obtenir une portée pratiquement uniforme de la radiation. Ain- si, si l'on considère, par exemple,. deux éléments radiateurs unifor- rues espacés à une distance s, telles que 11 et 12 à la figure 1, et qu'on utilise pour chaque élément une paire de dipôles liorizontaux croisés , la moitié seulement de l'énergie fournie aux deux éléments est appliquée dans le plan de la figure, les deux autres dipôles, perpendiculaires à ceux qui sont dans le plan de la figure, rece- vant l'autre moitié de l'énergie.
D'autre'part, avec des éléments d'antenne à distribution toroldale de l'énergie et à diagramme de distribution uniforme dans le plan horizontal , il est évident que, lorsqu''on excitera l'élément, l'énergie sera rayonnée de façon égale dans toutes les directions. En conséquence, deux de ces éléments,, auxquels est appliquée une puissance donnée, produiront pratiquement la même radiation dans un champ horizontal, que quatre dipôles dis- posés comme décrit ci-dessus et alimentés au moyen d'une puissance presque double. -
Avec un certain nombre d'éléments d'antenne tels que 11, 12 et 13. figure 1, disposés en système vertical à des intervalles s. comme indiqué, il, est évident qu'on peut obtenir un certain degré de concentration de l'énergie dans'le plan horizontal.
Quand de tels 'éléments sont disposés en groupe, la concentration optimum peut être obtenue par un espacement convenable des dits éléments.
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Avec une antenne produisant le diagramme de radiation pratiquement toroidla ci-dessus mentionné, le gain de puissance en direction ho- rizontale pour un nombre quelconque d'éléments peut être exprimé par l'équation suivante
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" j i 'f ' .3 t 2 (n-Ù ) µ (s) + 2 (n-2) 9>,(28) + ... 3' / 1 ((n-%s ) où : . c os s sin s oS 2 \ + s 3 cos 28 sin'8s 9> (2S) :::i - (2s .' ).2. , . + (2s):3 , (2s - (3s)S oos (n-1) sin.(n-1) (n-1). s' = - , 2:' :3 (n-1) , (n-1)" n = nombre ,d'antennes élémentaires dans le groupe - s = espacement exprimé en radians (2#/#)(espacement en mètres) #- longueur d'onde en mètres.
Des courbes satis'faisant à l'équation donnée plus haut ont été tracées pour'n -2 et n - 4 à la figure 2. D'après ces courbes,- on peut facilement obtenir l'espacement nécessaire entre les éléments adjacents, pour tout gain de puissance désiré. Il est ' préférable, en tous cas, quand on a é prévoir un gain désiré, d'u- , tiliser les portions ascendantes des courbes, pratiquement jusqu' au maximum.
Ainsi, sur la.'courbe 1, on voit que le maximum se pro- duit entre 320,et 340 degrés. -En conséquence,'si le gain de puis- sance désiré est de 2, on peut utiliser deux éléments étales dits éléments peuvent être espacés de 360 à 340 degrés 1'-un de l'autre.
Dans le cas de ce montage particulier,' il est clair que le gain de puissance diminue très.lentement pour.des espacements supérieurs à 320 degrés et des espacements atteignant 400 degrés sont absolument réalisables.
Toutefois, à cause des limitations d'encombrement, l'es- pacement le plus restreint est d'ordinaire désirable 'et, pour cet - te raison, on n'a pas besoin d'utiliser la courbe au delà de son maximum.
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si, d'autre part, on désire un gain de puissance plus important, on peut utiliser un groupe de quatre éléments ayant les caractéristiques représentées par la courbe 2 de la figure 2. on voit qu'une telle disposition fournit pratiquement un gain de puis- sance de 4,6 au maximum.
Pour tout autre nombre désiré d'éléments, on peut tracer'des courbes d'espacement, telles que représentées à la figure 2, pour l'équation et choisir l'espacement convenable pour l'obtention du gain de puissance désiré.
Les courbes 1 et ,2 de la figure S sont tracées pour une disposition suivant laquelle une puissance égale est appliquée aux diverses antennes. Une telle disposition produira un gain maximum dans la direction horizontale pour' le nombre désiré d'éléments. Mais il est connu qu'avec une telle disposition, suivant laquelle une .puissance égale est fournie à chacun des éléments, il y a production d'un certain nombre de lobes mineurs. En général, ces lobes mineurs ne sont pas gênants, car l'angle de zéro entre le premier lobe mi- neur et la terre est d'ordinaire tel que le point de zéro à la sur- face de la terre est très voisin de l'antenne émettrice.
De plus, dans les zones bâties, il se produit d'ordinaire une réflexion suf- fisante sur les édifices voisins pour qu'aucun zéro ne soit observé.
Néanmoins, si le point de zéro et les lobes mineurs sont trouvés gâ- nants, on peut y remédier par une division convenable de la puissan- ce dans l'élément d'antenne. Ceci entraine l'excitation de l'élé- ment central à un degré plus élevé que les éléments extérieurs, à le manière bien connue, dans la''technique. S'il n'est pas à désirer d'éliminer complètement les lobes mineurs, mais seulement d'éviter'le zéro, de façon telle qu'il y ait quelque peu de radiation dans la direction du minimum entre lobes, on peut utiliser un faible degré d'inégalité d'excitation entre les éléments.
On a représenté à la figure 3 un nouveau type d'élément d'antenne conforme à l'invention et particulièrement applicable aux groupements verticaux d'antennes de radiodiffusion du type représen- té à la figure 1. La dite antenne comporte quatre organes radiateurs
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30, 31, 32, 33, disposés suivant la forme d'un carré,ou de toute autre figure fermée.' L'énergie de la source à haute fréquence 34 est appliquée à travers une ligne 35 et des conducteurs dérivés 36, 37, aux organes radiateurs 30,31. Les conducteurs 36,37, sont dis- posés de manière à exciter les organes 30,31, au voisinage de leurs points-milieu, en opposition de phase. En conséquence, les organes.
30 et 31, agiront pour induire'dans les bras 32, 33, une énergie'telle, que ces organes soient 'de polarités opposées à leurs extrémités. Les organes 32, 'et, 33 sont, de préférence, tournée ' vers 1''intérieur à leurs extrémités pour augmenter le couplage ca- pacitaire du système.. Il apparaît, de la description ci-dessus que chacun des bras 30,31, 32 et 33, présentera pratiquement un noeud de potentiel en son point-mileu. En conséquence, ces organes peu- , vent être supportés directement en leur centre et n'ont pas besoin d'être isolés en ces' points les uns par rapport aux,autres, ou par rapport à la terre.
Cet élément d'antenne produira de l'euer gie à polarisation pratiquement horizontale, ce qui'évite la radiation 'en retour, ou l'absorption de l'énergie par les objets verticaux situés dans.le champ. En conséquence, 'les haubans servant au sup- port ne gêneront en aucune façon la diffusion. De plus, les dits .éléments étant de faibles dimensions et-de poids léger,- ils peuvent être montés sur un mât, ou-autre support, au-dessus des haubans qui soutiennent ,un pylône ou organe analogue..
Un mode de construction pratique d'une antenne analogue à celle de la figure 3 est représenté aux figures 4, 5 et 6. a la figure 4,' les éléments d'antenne 30, 31, 32, 33 sont représentée comme formés de tubes. Au milieu de chacun des dits éléments sont prévus d'autres tubes 40, 41, 42, 43-servant au support, qui peu- vent être en métal et peuvent être fixés à l'une de leurs extrémi- tés,' par brasure ou soudure sur l'élément,d'antenne et, à,l'autre extrémité, fixés mécaniquement sur un mât ou poteau métallique de. support 44.
Comme les éléments d'antenne 30 à 33 compris, sont sup- portés chacun en un noeud de potentiel, il est inutile de prévoir
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aucun isolement pour les éléments radiateurs. Les organes 30, 31 peuvent être excités par des conducteurs sous écran contenus à l'in- térieur du mât 44 et des traverses tubulaires 40, 41 comme indiqué en 50, 51, è, la figure 5, Les extréiaités des..conducteurs à l'inté- rieur des lignes sous écran peuvent être écartées l'une de l'autre,
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CO'úID18 indiqué en 51, 52, de manière à assurer l'udoptution"Q' impé- àance désirée.
On comprendra mieux le détail d'un câble susceptible d'utilisation en se reportant à la figure 6. Selon cette disposi- tion, les conducteurs 51 sont représentés à l'intérieur d'une enve-
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loppe métallique 60. Les conducteurs 51 peuvent sortir o.e cette enveloppe à travers un isolateur 61,. Leurs extrémités 52 peuvent alors s'écarter avant la connexion au barreau formant conducteur d'antenne 31. On voit qu'avec une telle disposition, tout le sys-
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thème de câblage d' Elim.8nt,s.tion et tous ses isolateurs sont logés à l'intérieur des parties tubulaires métalliques de :Ltzten.ize E, t, de. la sorte, sont protégés dGS intempéries et de-tous efforts mécru- niques.
Les éléments d'antenne représentés aux figures * et peuvent être facilement groupés de la manière représentée à la f'i-
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gure "i, Lïulivant 'cette disposition,' o.uatre é:ï.é,"eúts r8diateurs 70,
71, 72, 73, sont montés sur un met d'émetteur commun 74. Un feeder à conducteurs ous écrrzn 75 est relié à une ligne de transmission - dérivée 76, 77 dont les extrémités sont connectées à d'autres lignes dérivées 78, 79 servant à fournir l'énergie aux éléments d'antenne
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72, 2;7C, 71, respectivement. Four adapter l'impédance de 1 li- gne de transmission aux divers points de jonction, des éléments di-
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riges,vers l'extérieur peuvent être dérivés comme indiqué en 0.
Il est clair que le systéme d'antennes représenté à la figure 7 est'
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de nature telle que les éléments d'antenne peuvent êiie ist5l1és rapidement sur tout pylône désiré, puisqu'on ruz: pas à pr6vor. d'i- soleiéen1i entre les divers éléments et le .:ât, rü de l'un à l'autre des dits éléments. De plus, ,toutl'isole!,lent et le ciblage des élé-
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ments peuvent être'entièrement contenus à l'intérieur de la construc- tion même de l'antenne, comme.représenté à la figure 5 et, par sui- te, le système n'est exposé à aucun dommage mécanique/par exemple, par la chute d'objet sur l'élément.
La dimension du cadre utilisé dans le système conforme à l'invention est relativement faible. Par exemple,, si l'on désire faire fonctionner le système à 43 mégacycles, l'élément d'antenne peut avoir une 'dimension extérieure de, pratiquement, un. mètre.- Les antennes,elles-mêmes peuvent être'en matière relativement rigide, telle que du tube d'aluminium de 6 à 10 cm de diamètre, ou de côté.
Il est donc évident que l'éLément peut être fixé rigidement sur un mât par;ses propres moyens, sans'danger que le vent puisse causer de variation appréciable de la position relative des diverses par- ties de l'antenne.
'Un autre avantage des .éléments d'antenne construits de la manière représentée aux-.figures 4 à 7 réside en ce 'que des organes de chauffage destinés à empêcher la formation' de givre sur l'anten- ne peuvent être appliqués, sans affecter en aucune façon le fonction- nement à haute fréquence. Ceci peut se faire aisément de la maniè- re représentée à la figure 8, qui représente, en coupe-partielle, deux éléments' d'antenne 30, 33.
Dans chacun, de ces éléments, il est prévu des organes résistants 81, 82, qui peuvent être connectés di- rectement, à leurs extrémités opposées, sur les éléments d'antenne mis à la terre et, en leurs milieux, par des conducteurs 83, 84, à , une source de courant de chauffage, par l'intermédiaire d'un inter- rupteur tel que 85, si on le désire.
Les antennes du type représenté aux figures 3 à 8 peu- vent, si on le désire, revêtir d'autres formes. Par exemple, à la figure 9, on a adapté la forme- circulaire, avec quatre éléments d'antenne 90, 91, 92, 93, pourvus d'organes de support 94, 95, 96, 97, de manière à ce qu'ils puissent être supportés à partir d'un po- teau ou mât creux 96. -Les extrémités des éléments radiateurs ont été représentées tournées vers l'extérieur, de manière à ménager
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entre-elles le couplage capacitaire désiré.
La figure 10 représente encore -une autre forme suscep- tibled'être adoptée pour l'antenne objet de l'invention. 'selon cette disposition, chacun des bras 30, 31,32, 33, est représenté coudé à angle droit en son milieu, les bras 32 et 35 étant munis de parties de recouvrement 36 pour la poduction du couplage capaci- taire désiré. Les traverses de support 40,41, 42, 43, sont repré- sentées reliées à un mat 4. Il est clair, à ce sujet, que les conducteurs d'excitation s'étendant des traverses 40 et 41, aux éléments 50, 31 peuvent sortir des dites traverses de manière à en- trer en contact avec le radiateur pratiquement à 90 ,
En conséquence, le réglage de l'espacement du conduc- teur 51, ou du conducteur 5,2 peut se faire pratiquement sans change- ment de la longueur des dits conducteurs.
Cette disposition est plus avantageuse que celle des figures 4 et 5 en -ce que ce 'réglage 'peut s'effectuer sans qu'on ait à couper le conducteur à la. lon- gueur désirée.
Les exemples jusqu'à présent examinés se rapportaient à des, systèmes d'antennes composés de quatre éléments. Lais le mode de construction conforme à l'invention n'est pas limité à un tel nombre d'éléments et, en fait, un nombre différent d'éléments peut être employé dans le but d'obtenir des résultats utiles, tant que les dits 'éléments sont maintenus à une longueur inférieureau quart de lon- gueur d'onde et que leurs extrémités adjacentes sont interconnectées par une réactance relativement considérable. Il est évident, toute- fois, que lorsqu'on utilise unnombre impair d'éléments, les compo- santes à polarisation verticale de l'onde ne seront pas éliminées dans toutes les directions, autour.de l'antenne.
On représenté, à 'La figure 11 une forme de réalisation d'antenne comportant six éléments 111 à 1116 compris..L'énergie est appliquée à partir d'une source 117 à chacun des éléments 111, 113, 115, avec une relation de phase telle que les extrémités adjacentes des éléments alimentés soient à des potentiels instantanés opposés,
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Les éléments 112, 114 et 116 sont donc excités par,influence, de manière à ce que des noeuds de potentiel se produisent en leurs points milieux.
La réactance capacitaire'nécessaire entre éléments adjacents peut être obtenue, comme représenté, en dirigeant vers l'intérieur les extrémités des éléments 112, 114 et 116. Il est évident que, puisque 'les éléments de la figure 11 ont des noeuds de potentiel en leurs'points milieux, ces éléments peuvent être supportés directement sur un mât ou'poteau métallique, comme le système selon les figures 3 à 8,
A al figure 12 est représentée une antenne formée de trois éléments 121, 122, 123, Les éléments 121 et 122 'sont alimen= tés directement par la source d'énergie 124. de telle sorte que leurs extrémités adjacentes soient' à des polarités instantanées op- posées et l'élément 123 est excité par.
influence, à partir de ceux- ci, de manière à présenter' un noeud de potentiel en son milieu..,
Les élément's sont construits courts par rapport à la demi-lonur d'onde, comme dans les autres exemples, et ils peuvent été suppor- tés en leurs points milieux, sans isolement supplémentaire. Tou- tefois, ces éléments n'ont pas la même symét'rie que dans 'les systè- mes comprenant un nombre pair d'éléments'et, en conséquence, ne pro- duisent pas une radiation uniforme dans toutes les directions. hais, cette inégalité peut être relativement faible et,, dans certains cas, à désirer.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec .les dessins joints, il doit être bien entendu' que les modes de réalisation particuliers représentés ne l'ont été qu'à titre d'exem- ple, pour faciliter la compréhension, etne doivent pas être consi- dérés somme des limitations à la ,portée de la dite invention.
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ANTENNA SYSTEMS IMPROVEMENTS.
The present invention relates to improvements to antenna systems and more particularly to groups and assemblies of antennas intended for the diffusion of energy at 'very' high frequencies *.
In very high frequency broadcasting systems, as used for television transmission and frequency modulation, some new problems arise.
Since the range of very high frequencies is generally limited to the line of sight, it is desirable that the broadcasting antenna be mounted as high as possible above the earth.
It is also desirable that the radiation pattern of the antenna be directed horizontally, so that the level of. signal is high at points far from the transmitter. To get -.
- to achieve such a concentration of energy, it is necessary to foresee,
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a group of elementary antennas or other means of concentrating energy. As the antenna must be supported at a great height and is formed by a grouping of elements, it is essential, for practical reasons, that said elements are relatively small and that they have a radiation characteristic. pronounced, so that a good reception intensity can be obtained without it being necessary to deploy, at a great height above the ground, a large structure or a set of large antennas.
In addition, the antenna usually being mounted at a relatively inaccessible point, such as a mast, or a pylon at the top of a high edifice, it is desirable that the elementary antennas be made in such a way that they do not require minimal maintenance.
Broadcasting stations and, in particular, those intended for television or for frequency modulation, are generally located in densely populated areas so that they reach the greatest possible number of listeners in their area. radius of action, 'relatively small. Consequently, the antenna elements can be arranged above the heads of passers-by and the risks resulting from the accumulation of ice on said elements would be very high. The ice accumulated on them during a sleet fall can fall and cause considerable damage to passers-by, as well as to unloved objects.
In addition, such ice accumulations can fall from one element of the antenna to another, damaging some of their parts, such as the insulators.
Another point worthy of consideration in broadcasting antennas is the isolation factor. In such broadcasting systems the power is usually high, and therefore any insulators used in the antenna may be called upon to withstand considerable electrical voltages.
The object of the invention is the constitution of a broadcasting antenna system, usable at very high frequencies, in
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which the elementary antennas are small and have a relatively high power flow.
..The invention also aims. the constitution of elementary antennas capable of being supported by a mast or
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metal support without the need for: "no isolation from. ûelui.
The broadcasting antenna system, object of the invention * ,, must be capable of being easily mounted in a relatively inaccessible place, be relatively small for a given concentration of energy ^ and require a minimum of supervision. .
The said system must still function in such a way as to produce waves with a practically pure horizontal polarization. The invention, with its aims and characteristics, will be better understood on reading the following description and on
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'examination of the attached drawings, which represent it schematically, at. By way of nonlimiting examples, a few embodiments.
The figure is relative to a group of antennas according to the invention.
The curves in figure 3 are illustrative of the
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characteristics' of a set of antennas according to the invention.
Figure 3 shows schematically a preferred ton of elementary antenna also according to the invention.
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The fi; ures4, and 5 indicate the constructive arrangement of an antenna according to the invention. Figure 6 is, relating to., A, detail of the lines of excitation used with the antennas envisaged. there Figure 7 shows the assembly in grou.pé of several antenna elements of the type shown in Figures 4 and 5, ..
Figure 8 shows a heating system suitable for use with the antennas described and shown.
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The. Figures 9 and '10 show variants.'de con- 'atruction of antennas. types shown in Figures 5, 4,. and Figures, 11 and 12 s6àt: relating to.other variants
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elementary antennas.
In Figure 1, the number 10 designates a pylon or a support mast, on which are mounted elementary antennas 11, 12 and 13. Said elementary antennas are such that the radiation diagram of each element consists of a figure toroldale whose minimum is at the center of the element and its radia- tion in the horizontal -plane is practically circular.
-It is known to produce a horizontal concentration of energy by arranging the elementary antennas in a vertical group. However, if one uses crossed dipoles, it is. obvious that it is necessary to provide two elementary antennas at each point, in order to obtain a practically uniform range of the radiation. So, if we consider, for example ,. two uniform radiator elements spaced at a distance s, such as 11 and 12 in figure 1, and that a pair of crossed liorizontal dipoles are used for each element, only half of the energy supplied to the two elements is applied in the plane of the figure, the other two dipoles, perpendicular to those which are in the plane of the figure, receiving the other half of the energy.
On the other hand, with antenna elements with toroidal energy distribution and uniform distribution pattern in the horizontal plane, it is evident that when the element is excited, the energy will be radiated from equally in all directions. Accordingly, two of these elements, to which a given power is applied, will produce substantially the same radiation in a horizontal field as four dipoles arranged as described above and fed with almost double the power. -
With a number of antenna elements such as 11, 12 and 13. Figure 1, arranged in a vertical system at intervals s. as indicated, it is evident that a certain degree of concentration of energy in the horizontal plane can be achieved.
When such elements are arranged in groups, the optimum concentration can be obtained by suitable spacing of said elements.
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With an antenna producing the above-mentioned nearly toroidal radiation pattern, the power gain in the horizontal direction for any number of elements can be expressed by the following equation
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"ji 'f'. 3 t 2 (n-Ù) µ (s) + 2 (n-2) 9>, (28) + ... 3 '/ 1 ((n-% s) where:. c os s sin s oS 2 \ + s 3 cos 28 sin'8s 9> (2S) ::: i - (2s. ') .2.,. + (2s): 3, (2s - (3s) S oos (n-1) sin. (n-1) (n-1). s '= -, 2:': 3 (n-1), (n-1) "n = number, of elementary antennas in the group - s = spacing expressed in radians (2 # / #) (spacing in meters) # - wavelength in meters.
Curves satisfying the equation given above have been drawn for n -2 and n - 4 in Figure 2. From these curves, - one can easily obtain the necessary spacing between the adjacent elements, for any desired power gain. It is preferable, in any case, when a desired gain has been provided, to use the upward portions of the curves, almost to the maximum.
Thus, on curve 1, we see that the maximum occurs between 320, and 340 degrees. Accordingly, if the desired power gain is 2, two elements can be used, said elements can be spaced 360 to 340 degrees apart.
In the case of this particular arrangement, it is clear that the power gain decreases very slowly at clearances greater than 320 degrees and clearances up to 400 degrees are absolutely achievable.
However, because of space limitations, the smallest spacing is usually desirable, and for this reason there is no need to use the curve beyond its maximum.
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if, on the other hand, a greater power gain is desired, it is possible to use a group of four elements having the characteristics represented by curve 2 in FIG. 2. it can be seen that such an arrangement practically provides a gain of then - session of 4.6 maximum.
For any other desired number of elements, one can draw spacing curves, as shown in Figure 2, for the equation and choose the proper spacing to achieve the desired power gain.
Curves 1 and 2 of Figure S are plotted for an arrangement in which equal power is applied to the various antennas. Such an arrangement will produce maximum gain in the horizontal direction for the desired number of elements. But it is known that with such an arrangement, according to which an equal power is supplied to each of the elements, there is production of a certain number of minor lobes. In general, these minor lobes are not troublesome, since the angle of zero between the first minor lobe and the earth is usually such that the point of zero at the surface of the earth is very close to l transmitting antenna.
In addition, in built-up areas there is usually sufficient reflection from neighboring buildings that zero zero is observed.
However, if the zero point and the minor lobes are found to be a problem, this can be remedied by a suitable division of the power in the antenna element. This causes the central element to be excited to a greater degree than the external elements, as is well known in the art. If it is not to be desired to completely eliminate the minor lobes, but only to avoid zero, so that there is some radiation in the direction of the minimum between lobes, one can use a low degree of inequality of excitation between the elements.
FIG. 3 shows a new type of antenna element in accordance with the invention and particularly applicable to vertical groups of broadcasting antennas of the type shown in FIG. 1. Said antenna comprises four radiator members.
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30, 31, 32, 33, arranged in the shape of a square, or any other closed figure. ' Energy from the high frequency source 34 is applied through a line 35 and branch conductors 36, 37, to the radiator members 30, 31. The conductors 36, 37, are arranged so as to excite the members 30, 31, in the vicinity of their mid-points, in phase opposition. As a result, the organs.
30 and 31, will act to induce 'in the arms 32, 33, an energy' such that these organs are 'of opposite polarities at their ends. The members 32, 'and, 33 are preferably turned inwardly at their ends to increase the capacitive coupling of the system. It will be apparent from the above description that each of the arms 30,31 , 32 and 33, will present practically a potential node at its midpoint. Accordingly, these organs can be supported directly at their center and need not be isolated at these points from each other or from the earth.
This antenna element will produce nearly horizontally polarized euer gy, which prevents back-radiation, or absorption of energy by vertical objects in the field. Consequently, the guy wires used for the support will in no way interfere with the diffusion. In addition, said elements being small and light-weight, - they can be mounted on a mast, or-other support, above the shrouds which support a pylon or the like.
A practical embodiment of an antenna similar to that of Figure 3 is shown in Figures 4, 5 and 6. In Figure 4, the antenna elements 30, 31, 32, 33 are shown as formed of tubes. . In the middle of each of said elements are provided other tubes 40, 41, 42, 43-serving for the support, which can be of metal and can be fixed at one of their ends, by soldering or solder on the element, antenna and, at, the other end, mechanically fixed on a mast or metal pole. support 44.
As the antenna elements 30 to 33 inclusive are each supported at a potential node, it is unnecessary to provide
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no insulation for the radiator elements. The members 30, 31 can be excited by conductors under screen contained inside the mast 44 and the tubular crossmembers 40, 41 as indicated at 50, 51, è, FIG. 5, The ends of the conductors at the inside of the lines under the screen can be separated from each other,
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CO'úID18 indicated at 51, 52, so as to ensure the desired impedance "Q 'udoptution.
The detail of a cable capable of use will be better understood by referring to FIG. 6. According to this arrangement, the conductors 51 are shown inside an enclosure.
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metal loppe 60. The conductors 51 can exit o.e this envelope through an insulator 61 ,. Their ends 52 can then move apart before connection to the bar forming an antenna conductor 31. It can be seen that with such an arrangement, the entire system.
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wiring theme of Elim.8nt, s.tion and all its insulators are housed inside the metal tubular parts of: Ltzten.ize E, t, de. in this way, are protected from bad weather and all mechanical efforts.
The antenna elements shown in Figures * and can be easily grouped as shown in Figure
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gure "i, Lïulivant 'this provision,' o.uatre é: ï.é," eúts r8diateurs 70,
71, 72, 73, are mounted on a common transmitter unit 74. A conductor feeder 75 is connected to a transmission line - branch 76, 77 whose ends are connected to other branch lines 78, 79 used to supply energy to antenna elements
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72, 2; 7C, 71, respectively. Four adapt the impedance of 1 transmission line to the various junction points, of the di-
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riges, outwards can be derived as indicated in 0.
It is clear that the antenna system shown in figure 7 is'
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of such a nature that the antenna elements can be quickly installed on any desired pylon, since this is not necessary. of isoleiéen1i between the various elements and the.: ât, rü from one to the other of said elements. In addition, toutl'isole !, slow and the targeting of ele-
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elements can be contained entirely within the actual construction of the antenna, as shown in figure 5 and, as a result, the system is not exposed to any mechanical damage / for example, by falling object on the element.
The dimension of the frame used in the system according to the invention is relatively small. For example, if it is desired to operate the 43-megacycle system, the antenna element may have an outer dimension of, substantially, one. meter.- The antennas themselves can be of relatively rigid material, such as aluminum tube 6 to 10 cm in diameter, or sideways.
It is therefore evident that the element can be fixed rigidly to a mast by its own means, without the danger that the wind may cause appreciable variation in the relative position of the various parts of the antenna.
Another advantage of the antenna elements constructed in the manner shown in Figures 4 to 7 is that heaters for preventing the formation of frost on the antenna can be applied without in any way affect high frequency operation. This can easily be done as shown in Fig. 8, which shows, in partial section, two antenna elements 30, 33.
In each of these elements, there are provided resistive members 81, 82 which can be connected directly, at their opposite ends, to the earthed antenna elements and, in their midst, by conductors 83 , 84, to a source of heating current, through a switch such as 85, if desired.
Antennas of the type shown in Figures 3 to 8 can, if desired, take other forms. For example, in Figure 9, we have adapted the circular shape, with four antenna elements 90, 91, 92, 93, provided with support members 94, 95, 96, 97, so that they can be supported from a post or hollow mast 96. -The ends of the radiator elements have been shown facing outwards, so as to spare
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between them the desired capacitance coupling.
FIG. 10 represents yet another form capable of being adopted for the antenna which is the subject of the invention. According to this arrangement, each of the arms 30, 31, 32, 33 is shown bent at right angles at its middle, the arms 32 and 35 being provided with cover portions 36 for producing the desired capacitance coupling. The support cross members 40, 41, 42, 43, are shown connected to a mast 4. It is clear, in this regard, that the excitation conductors extending from the cross members 40 and 41, to the elements 50, 31 can come out of said cross members so as to come into contact with the radiator at almost 90 °,
Consequently, the adjustment of the spacing of the conductor 51, or of the conductor 5, 2 can be done virtually without changing the length of said conductors.
This arrangement is more advantageous than that of FIGS. 4 and 5 in that this 'adjustment' can be carried out without having to cut the conductor at the. desired length.
The examples so far examined have related to antenna systems composed of four elements. But the mode of construction according to the invention is not limited to such a number of elements and, in fact, a different number of elements can be employed in order to obtain useful results, as long as said The elements are maintained at a length less than a quarter wavelength and that their adjacent ends are interconnected by a relatively considerable reactance. It is evident, however, that when an odd number of elements are used, the vertically polarized components of the wave will not be eliminated in all directions around the antenna.
FIG. 11 shows an embodiment of an antenna comprising six elements 111 to 1116 inclusive. Energy is applied from a source 117 to each of the elements 111, 113, 115, with a relation of phase such that the adjacent ends of the supplied elements are at opposite instantaneous potentials,
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The elements 112, 114 and 116 are therefore excited by the influence, so that potential nodes occur at their midpoints.
The necessary capacitance reactance between adjacent elements can be obtained, as shown, by directing the ends of elements 112, 114 and 116 inward. It is evident that since the elements of Fig. 11 have potential nodes in their 'midpoints, these elements can be supported directly on a mast or metal post, like the system according to Figures 3 to 8,
In FIG. 12 is shown an antenna formed of three elements 121, 122, 123, The elements 121 and 122 'are supplied directly by the energy source 124. so that their adjacent ends are' at instantaneous polarities. opposites and element 123 is excited by.
influence, from these, so as to present a potential node in its middle ..,
The elements are constructed short with respect to the half-wave length, as in the other examples, and they can be supported at their midpoints, without additional isolation. However, these elements do not have the same symmetry as in systems with an even number of elements and, therefore, do not produce uniform radiation in all directions. Hate, this inequality may be relatively small and, in some cases, to be desired.
Although the invention has been described in connection with the accompanying drawings, it should be understood that the particular embodiments shown have been described only by way of example, for ease of understanding, and are not The sum of the limitations to the scope of the said invention should not be considered.