Réseau d'antennes à onde de sol progressive kilométrique ou hectométπque

La présente invention concerne un réseau d'antennes notamment pour émettre en ondes progressives kilométriques ou hectometriques dans une bande de fréquence faible ou moyenne comprise entre 10 kHz environ et 3 MHz environ, par exemple pour la diffusion de programme radiophonique numérique.

Actuellement, des pylônes rayonnants de très grande hauteur de l'ordre de 50 a 350 mètres sont bien souvent installes loin des villes pour émettre des signaux dans la bande des ondes hectometriques avec une puissance d'émission relativement élevée. Si l'on souhaite installer un pylône rayonnant à proximité d'une agglomération ou en ville, un important périmètre de sécurité doit être disponible pour dresser le pylône rayonnant et installer le réseau de terre filaire associé au pylône et placé sur le sol ou a une faible profondeur dans le sol.

Toutefois, l'avenir des grands pylônes rayonnants a proximité des villes ou dans celles-ci est compromis pour des raisons de compatibilité électromagnétique. Les couplages entre la partie érigée du pylône et les diverses structures métalliques pouvant être situées à proximité du pylône, telles que des armatures métalliques dans des bâtiments, des réverbères métalliques et des pylônes de lignes de transport d'énergie électrique constituent des sources de courant induits, difficilement maîtrisables lors de l'installation de pylônes .

Outre l'aspect inesthétique des grands pylônes rayonnants, le contexte d'exposition du public au

champ électromagnétique émis par les grands pylônes rayonnants nécessite d'obtenir un terrain relativement vaste pour l'emplacement de chaque pylône. Tous ces inconvénients sont autant d'obstacles a l'installation d'un pylône rayonnant en zone urbaine.

Par conséquent, puisqu'un grand pylône rayonnant est visible de loin, et donc ne s'intègre pas dans le paysage urbain et génère essentiellement un champ d'onde d'espace qui est une source de couplage avec les édifices et bâtiments érigés dans sa proximité, la plupart des pylônes rayonnants sont installés en dehors des agglomérations. Un pylône diffusant des programmes radiophoniques est ainsi installe en dehors d'une ville, et donc très éloigné des récepteurs des auditeurs, ce qui l'empêche d'être efficace avec des petites puissances d'émission.

Selon la demande de brevet EP 1 594 186, une antenne à onde de sol sensiblement kilométrique ou hectométrique souffre d'une bande passante d'autant plus faible que la fréquence d'utilisation est basse. L'antenne comprend une seule boucle d'excitation métallique, est alimentée par un unique émetteur et n'autorise pas le multiplexage de plusieurs programmes, ni la diffusion de programmes sur plusieurs fréquences. L'antenne est en outre omnidirective comme le pylône et a un champ d'application restreint à la diffusion locale à proximité ou dans une ville en ondes longues ou moyennes.

La présente invention a pour objectif de fournir un reseau d'antennes a onde de sol qui est destiné à rayonner en ondes progressives sensiblement kilométriques ou hectometriques, qui n'offre pas les

contraintes précédentes, en particulier qui est quasiment invisible depuis son environnement immédiat et s'intègre bien dans le paysage et qui favorise la propagation d'une onde de sol suivant une direction privilégiée et avec une large bande passante.

Pour atteindre cet objectif, un réseau d'antennes à onde de sol comprenant chacune un plan de masse enfoui sensiblement horizontalement à proximité et sous la surface du sol et une ligne d'excitation métallique s 'étendant sensiblement de manière rectiligne et parallèlement au-dessus du plan de masse et du sol pour rayonner des ondes de sol, caractérise en ce qu'il comprend au moins un moyen d'interconnexion reliant des première et deuxième antennes consécutives du reseau pour alimenter la deuxième antenne avec une puissance non rayonnée par la première antenne, chaque antenne ayant une impédance terminale égale a son impédance caractéristique.

Pour tout couple d'antennes consécutives du réseau selon l'invention, la puissance non rayonnée en onde de sol typiquement hectometrique ou kilométrique par la première antenne du couple représente environ 90% de la puissance fournie à la première antenne et alimente la deuxième antenne du couple, de sorte que la puissance fournie initialement au réseau est utilisée au maximum selon le nombre d'antennes du réseau et la puissance perdue dans une charge terminale du reseau est minimale.

Par ailleurs, la discontinuité entre l'air et le sol, située sur et dans le sol à la périphérie de chaque 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 uniquement

la propagation d'une onde de sol directive en polarisation verticale. L'onde de sol est due à l'injection de courants élevés dans le sol sans aucun rayonnement latéral d'une onde d'espace comparativement à une antenne pylône, l'antenne exploitant un mode de rayonnement magnétique et non électrique pour des ondes sensiblement kilométriques ou hectométriques . Contrairement à des émissions en modulation de fréquence, l'onde de sol, et non une onde d'espace, transporte un signal utile numérique ou analogique vers des récepteurs. La quasi-absence de composante d'onde d'espace au-dessus de la surface du sol résout avantageusement des problèmes de compatibilité électromagnétique et d'exposition des personnes, et de couplages de l'antenne avec des structures proches de l'antenne au-dessus du sol.

Grâce au plan de masse enfoui dans le sol à quelques dizaines de centimètres et à la ligne d'excitation suspendue a une hauteur supérieure à un mètre environ au-dessus du sol pour chaque antenne de sol, le réseau d'antennes a onde de sol selon l'invention est très discret et ainsi insensible a tout vent violent, souffle, foudre, séisme ou explosion. En outre, le reseau d'antennes à onde de sol ne présente quasiment pas de surface écho radar (SER) .

Les différentes antennes du réseau peuvent s'étendre dans des directions différentes de manière a émettre vers des cibles privilégiées tout en respectant des contraintes administratives liées aux diagrammes de rayonnement et puissances apparentes rayonnées dans certaines zones sensibles ou près des frontières .

Avantageusement, chaque antenne du réseau a une impédance terminale égale a son impédance

caractéristique de manière à rayonner des ondes progressives, ce qui confère une large bande passante a l'antenne. Par ailleurs, plus le nombre d'antennes du reseau est eleve, plus la bande passante du reseau est large.

Le réseau peut ainsi avoir une très large bande passante, même aux fréquences basses, permettant la diffusion numérique et le multiplexage de plusieurs programmes depuis l'unique site du réseau. Le réseau peut ouvrir la voie à la diffusion numérique sur les ondes kilométriques bénéficiant d'une excellente propagation en zones rurales et urbaines.

Le reseau peut comprendre également une charge terminale entre une extrémité de la ligne d'excitation d'une antenne du réseau et le plan de masse associé à cette antenne, la charge terminale ayant une impédance égale a 1 ' impédance caractéristique de la ligne d'excitation, et l'autre extrémité de ladite ligne d'excitation étant reliée à une autre ligne d'excitation d'une autre antenne du réseau par un moyen d'interconnexion.

Le réseau peut comprendre également au moins un moyen pour remettre en phase des ondes rayonnées par deux antennes consécutives et reliées entre elles. Cette remise en phase permet de sommer les rayonnements des deux antennes et d'améliorer la directivité ainsi que le gain du réseau notamment lorsque les antennes s'étendent dans la même direction.

Le moyen d'interconnexion peut ainsi comprendre une ligne de retour souterraine ou un transformateur et le moyen pour remettre en phase peuvent comprendre une ligne de retour souterraine inverseuse de phase ou un transformateur inverseur de phase. Le moyen

d'interconnexion et le moyen pour remettre en phase peuvent être en partie confondus.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la ligne d'excitation de chaque antenne a une longueur dans un rapport avec la longueur d'onde rayonnée par la ligne d'excitation compris entre 45/100 environ et 65/100 environ, longueur de ligne d'excitation pour laquelle la directivité et l'efficacité de l'antenne sont maximales. La ligne d'excitation de chaque antenne a en outre une impédance caractéristique comprise entre 200 ω environ et 500 ω environ, ce qui limite l' intensité du courant et les pertes ohmiques pour une fréquence donnée et autorise un fonctionnement avec une puissance élevée, par exemple supérieure à 100 kW environ .

Selon une autre caractéristique de l'invention, le reseau peut comprendre au moins un moyen d'alimentation en puissance ayant des bornes reliées respectivement à la ligne d'excitation et au plan de masse d'une antenne du réseau et apte à fournir une puissance supérieure à 100 kW environ. Le réseau peut comprendre des antennes ayant des longueurs différentes et plusieurs moyens d'alimentation pour fournir des signaux dans des bandes de fréquence différentes afin de diffuser ces signaux respectivement par les antennes de longueurs différentes et adaptées auxdites bandes de fréquence.

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 a titre

d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels :

- la figure 1 est une vue de face verticale schématique montrant partiellement une première antenne et une dernière antenne d'un réseau selon 1 ' invention ;

- la figure 2 est une vue de face verticale schématique d'un reseau comprenant deux antennes reliées entre elles selon une première réalisation de 1 ' invention ;

- la figure 3 est une vue de face verticale schématique d'un reseau comprenant deux antennes reliées entre elles selon une deuxième réalisation de 1 ' invention ; - la figure 4 est une vue de face verticale schématique illustrant la puissance rayonnee par chacune des antennes d'un réseau reliées entre elles deux par deux ;

- la figure 5 montre schématiquement des composantes de champ électrique dans une ligne équivalente a une antenne selon l'invention ; et

- la figure 6 est un schéma analogue a la figure 1 pour adapter la connexion d'un émetteur à une antenne en fonction de l'impédance caractéristique de 1 ' émetteur .

Le réseau d'antennes selon l'invention comprend au moins deux antennes à onde de sol. Les antennes du réseau sont reliées les unes aux autres consécutivement deux par deux. Le reseau d'antennes comprend en outre au moins un moyen d'interconnexion entre deux antennes consécutives. Plus précisément, le nombre des antennes du réseau excède de un le nombre des moyens d'interconnexion du réseau.

Des éléments communs a chacune des antennes à onde de sol du réseau sont décrits par la suite en référence a la figure 1.

Une antenne à onde de sol selon l'invention rayonnant avec une longueur d'onde utile λ, d'émission ou de réception, sensiblement kilométrique ou sensiblement hectometrique comprend essentiellement un plan de masse métallique PM sensiblement horizontal et une ligne d'excitation métallique LE sensiblement horizontale.

Le plan de masse PM est enfoui à proximité et sous la surface du sol S a une épaisseur de terre e de quelques dizaines de centimètres, typiquement 50 cm environ sous la surface du sol. Par exemple, le plan de masse est recouvert de terre, y compris de tout arrangement décoratif comme une pelouse ou un parterre de végétaux. Le plan de masse s'étend horizontalement dans une direction sensiblement parallèle a celle de la ligne d'excitation LE et présente une largueur de l'ordre de 1 m pour une longueur sensiblement égale a celle de la ligne d'excitation. Ainsi, le plan de masse occupe une surface au sol de quelques dizaines de mètres carrés a quelques centaines de mètres carrés. Le contour du plan de masse peut être rectangulaire ou sensiblement polygonal régulier, de manière à former par exemple une bande horizontale parallèle à la ligne d'excitation LE.

Le plan de masse PM est métallique et doit assurer une excellente continuité électrique entre les éléments qui le composent afin qu'il contribue au caractère directionnel de l'antenne, être de construction aisée et donc peu onéreuse, et être insensible aux attaques chimiques dans le milieu naturel qu'est la terre. Selon un premier exemple, le

plan de masse est constitue de tôles soudées. Les tôles sont ancrées directement dans la terre et sont soudées ou liées par attaches métalliques les unes aux autres afin d'assurer une excellente continuité électrique entre les tôles et la terre. Selon un deuxième exemple, le plan de masse est un treillis métallique. Le treillis est compose de fils de fer avec des mailles par exemple carrées ayant un côte petit par rapport a la longueur d'onde utile λ, par exemple compris entre λ/20 environ et λ/10 environ. Le treillis métallique peut être aussi forme au moins partiellement par des armatures noyées dans du béton, par exemple le béton arme d'une dalle ou de toute autre structure souterraine existante ou a construire. Le plan de masse PM peut être en cuivre ou en aluminium, ou en un alliage ayant pour composant essentiel du cuivre ou de l'aluminium.

La ligne d'excitation métallique LE s'étend sensiblement horizontalement au-dessus de la surface du sol S a une hauteur h et au-dessus du plan de masse PM a une hauteur H. La hauteur H est en gênerai comprise entre 1 m environ et 3 m environ et la hauteur h est déduite de H-e. Pour les longueurs d'onde kilométriques et hectometπques, la ligne d'excitation LE a une longueur supérieure a 25 m environ. La ligne d'excitation et le plan de masse sont superposes de telle manière qu'ils soient centres régulièrement sur un axe commun vertical. L'enfouissement du plan de masse PM dans le sol S sous-jacent a la ligne d'excitation LE légèrement au- dessus du sol rend l'antenne de sol quasiment invisible et discrète notamment en milieu urbain, comparativement a une antenne pylône.

La ligne d'excitation LE a une longueur LLE sensiblement de l'ordre d'une demi-longueur d'onde utile λ/2 de l'antenne. La longueur LLE est en général comprise entre un rapport de 45/100 environ a 65/100 environ avec la longueur d'onde rayonnée par la ligne d'excitation, soit entre 0,45 λ et 0,65 λ, et de préférence égale à 0,57 λ.

La ligne d'excitation LE est par exemple soutenue dans un plan horizontal au-dessus du sol S à la hauteur h par des poteaux isolants PI sensiblement verticaux qui sont régulièrement répartis le long de la ligne, par exemple tous les 4 m a 5 m. Chaque poteau PI est par exemple en bois ou en matière plastique . La ligne d'excitation LE est réalisée de préférence en un tube métallique galvanisé de diamètre D compris entre 5 cm environ et 20 cm environ. Le tube est par exemple en acier, ou de préférence en un meilleur conducteur, par exemple en cuivre ou en aluminium, ou en un alliage ayant pour composant prépondérant du cuivre ou de l'aluminium.

En variante, la ligne d'excitation LE est constituée de plusieurs tubes superposes ou parallèles, distants de quelques dizaines de centimètres afin de permettre une puissance plus élevée, une bande passante améliorée et une diminution des pertes. La ligne d'excitation LE peut être plus mince et réalisée sous la forme d'un fil métallique ou d'une nappe de fils métalliques, ce qui conduit a diminuer la bande passante de l'antenne.

Selon une autre variante, afin de permettre une puissance d'émission relativement élevée et diminuer les pertes électriques, la ligne d'excitation LE est sous la forme d'une cage de diamètre D composée de plusieurs fils métalliques parallèles équirépartis

circulairement ayant un diamètre compris entre 6 mm environ et 12 mm environ. La cage constituant la ligne d'excitation LE comporte des anneaux métalliques soudés aux fils métalliques repartis régulièrement sur sa longueur, par exemple tous les 5 m à 10 m, pour maintenir les fils métalliques parallèles et équidistants deux à deux et ainsi conserver la distribution équipotentielle en section circulaire dans la cage. A diamètres respectifs identiques, les cages sont avantageusement plus légères que les tubes et l'ensemble des fils des cages est moins onéreux que les tubes.

Les antennes dans le reseau sont reliées les unes aux autres consécutivement par plusieurs moyens d'interconnexion. Une première antenne du réseau comprend, outre un plan de masse métallique et une ligne d'excitation métallique, au moins un moyen d'alimentation en puissance AP pour alimenter tout le réseau d'antennes. Une dernière antenne du réseau comprend, outre un plan de masse métallique et une ligne d'excitation métallique, un élément de terminaison ET sensiblement vertical reliant la ligne d'excitation au plan de masse et comprenant une charge terminale Zc. L'impédance de la charge terminale est égale à l'impédance caractéristique de la ligne d'excitation. Par conséquent, seules lesdites première et dernière antennes du réseau sont reliées chacune a une antenne, et les autres antennes du reseau sont reliées chacune à deux antennes.

Dans la figure 1, le moyen d'alimentation en puissance AP a des bornes filaires fl et f2 reliées à la première antenne et l'élément de terminaison ET est relié à la dernière antenne partiellement représentée.

Chaque antenne de sol du réseau ainsi décrite est sensiblement équivalente à une ligne demi-onde de grandes dimensions qui rayonne de manière directive une onde de sol de polarisation verticale dans un rayon de quelques kilomètres à quelques dizaines de kilomètres en fonction de la puissance de quelques centaines de watts à quelques milliers de watts du moyen d'alimentation en puissance AP relie à la première antenne du réseau. Le moyen d'alimentation en puissance AP comprend principalement un émetteur installé sur le sol, à proximité du plan de masse PM et de la ligne d'excitation LE, par exemple pour émettre des programmes de radiodiffusion à travers le reseau d'antennes, et un câble d'alimentation. Comme montré schématiquement a la figure 1, deux fils fl et f2 du câble d'alimentation relient des bornes négative et positive de l'émetteur respectivement au plan de masse PM et à une extrémité de la ligne d'excitation LE.

En outre, une impédance caractéristique de l'antenne de sol de l'ordre de 450 ω environ est compatible avec un amplificateur de type transformateur torique 1/9 en sortie de l'émetteur dont l'impédance de sortie est faible de l'ordre de 50 ω environ.

Selon une première réalisation montrée à la figure 2, le moyen d'interconnexion entre deux antennes consécutives du reseau comprend une ligne de retour souterraine LR et des premier et deuxième éléments de raccordement métalliques ERl et ER2 qui sont reliés respectivement à une première ligne d'excitation LEl d'une première antenne et à une deuxième ligne d'excitation LE2 d'une deuxième

antenne. La ligne de retour LR s'étend sensiblement horizontalement dans un moyen de confinement des lignes de champs CLC au-dessous du plan de masse PMl relatif a la première ligne d'excitation LEl. La ligne de retour LR a la particularité d'être non rayonnante et d'avoir une impédance caractéristique égale a celle des lignes d'excitation.

Le premier élément de raccordement ERl a une extrémité supérieure ERIs soudée à l'une des extrémités de la première ligne d'excitation LEl, et une extrémité inférieure ERIi soudée a l'une des extrémités de la ligne de retour LR qui est située a une distance a du plan de masse PMl sous la surface du sol S. Par exemple, la hauteur du premier élément de raccordement ERl est de H + a = 2,9 m, et la première ligne d'excitation LEl est à une hauteur h =

2,5 m au-dessus du sol S.

L'autre extrémité de la ligne de retour LR est soudée a une extrémité inférieure ER2i du deuxième élément de raccordement ER2 dont l'extrémité supérieure ER2s est soudée à l'une des extrémités de la deuxième ligne d'excitation LE2.

Les éléments de raccordement traversent le sol et la terre via un isolateur ISO, tel que de la porcelaine, et peuvent être réalisés en un tube métallique galvanisé de diamètre d compris entre 5 cm environ et 20 cm environ.

Dans un premier exemple, la ligne de retour LR est placée dans le moyen de confinement des lignes de champs CLC qui est un caniveau sous-jacent au plan de masse PM. Le rayonnement parasite de la ligne de retour est alors maîtrise puisque les lignes de champs issues de la ligne de retour sont confinées vers le plan de masse.

Dans un deuxième exemple, la ligne de retour LR est enfermée dans le moyen de confinement des lignes de champs CLC qui est un caisson métallique dont la partie supérieure est constituée d'une partie du plan de masse PM. Le rayonnement parasite de la ligne de retour est alors totalement élimine puisque toutes les lignes de champs issues de la ligne de retour sont confinées dans le caisson métallique, ce qui n'engendre aucune excitation du sol et des lignes voisines. La ligne de retour peut alors être une ligne coaxiale transportant une puissance élevée.

Les éléments de raccordement ERl et ER2, la ligne de retour LR et les lignes d'excitation LEl et LE2 peuvent être de même nature, tels que des tiges tubulaires métalliques galvanisées ayant des diamètres de section transversale identiques, par exemple de 60 mm environ.

Par exemple, les isolateurs ISO à travers lesquels les éléments de raccordement ERl et ER2 traversent la terre sont attachés respectivement aux extrémités du moyen de confinement des lignes de champs CLC et traversent les plans de masse PMl et PM2 via des petits trous ménagés à cet effet, le diamètre des isolateurs étant légèrement supérieur à celui des éléments de raccordement.

La figure 2 montre une configuration du reseau à seulement deux antennes qui rayonnent suivant des directions opposées. Les extrémités d'attaque par le courant des deux antennes peuvent être très proches. Ce type de configuration du réseau peut être étendu a plus de deux antennes. Par exemple, les antennes du réseau sont disposées en étoile ou suivant un anneau ou un polygone de manière à rayonner suivant des directions respectives ce qui confère au réseau un rayonnement sensiblement "omnidirectionnel" . Selon

d'autres exemples, une direction principale de rayonnement d'onde de sol du reseau est définie le long d'un axe de sensible alignement des lignes d'excitation ou de sensible symétrie des lignes d'excitation disposées côte à côte et sensiblement parallèles .

Selon une deuxième réalisation montrée à la figure 3, le moyen d'interconnexion entre deux antennes consécutives du reseau comprend un transformateur TRA dont les extrémités sont reliées à des première et deuxième lignes d'excitation LEl et LE2 des deux antennes consécutives via des lignes de transition de même nature que les lignes d'excitation.

Le transformateur TRA peut être situe au-dessus du sol S, ou bien enterre à proximité du sol. Dans ce dernier cas, le transformateur et les lignes de transition sont placés dans la terre à l'intérieur d'isolateurs qui peuvent être en porcelaine.

La figure 3 montre une configuration du reseau a seulement deux antennes qui rayonnent par exemple suivant la même direction. Dans cet exemple, les plans de masse PMl et PM2 des deux antennes peuvent ne constituer qu'un seul plan de masse. Ce type de configuration du reseau peut être étendu a plus de deux antennes pour obtenir une mise en série des antennes rectilignes du réseau afin d'obtenir un gain maximal dans la direction des antennes et assurer une forte réduction du champ arrière des antennes. En outre, les antennes peuvent être mises en série pour obtenir un réseau en forme d'anneau et conférer une omnidirectivité au réseau.

Le gain du réseau est optimise par une remise en phase de chacune des antennes du reseau, comme

expliqué ci-après dans le mode de fonctionnement des antennes à onde de sol du réseau.

L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites ci-dessus et a leurs variantes. Par exemple, elle concerne également toute combinaison de variantes des première et deuxième réalisations, comme une mise en série de groupement d'antennes sensiblement parallèles.

Dans les deux réalisations, le moyen d'interconnexion permet de récupérer la puissance non rayonnee par une première antenne pour alimenter une deuxième antenne consécutive à la première antenne avec cette puissance récupérée, comme montre de manière schématique a la figure 4. Les antennes du réseau sont reliées entre elles deux par deux par exemple au moyen de lignes de retour LR. Il sera entendu que les antennes représentées de manière superposées par souci de clarté à la figure 4 sont en réalité juxtaposées sur le sol S.

En pratique, environ 10% de la puissance fournie P par le moyen d'alimentation AP à la première antenne est rayonné en onde de surface et 90% de la puissance P est récupérée par la charge de la première antenne, c'est-à-dire pour alimenter la deuxième antenne reliée à la première antenne, et ainsi de suite. En considérant que le champ électrique E d'une onde de sol propagée par une antenne est proportionnel a VP, alors la somme Et des champs électriques El, E2, ., En, avec n un entier, de n antennes identiques réalimentées ayant la même orientation peut être déduite par la relation suivante :

Et = VP + Vθ,9P + V ⁰ ' ^{9 x} °' ^9P + • • • + V ⁰ '9 ^{n ~ l p} •

En normalisant à 1 le premier champ électrique, on obtient par exemple pour n = 4 antennes un gain de groupement en champ électrique de 20 log (Et/ VP) = +11,4 dB . Or en technologie conventionnelle avec la même puissance P, une équirépartition de la puissance P sur quatre antennes identiques n'apporte que + 6 dB . Cela suppose un couplage faible entre les antennes, ce qui est garanti par le fort couplage pour chaque antenne entre la ligne d'excitation, le sol et le plan de masse enfoui à environ 50 cm du sol . Pour la première antenne alimentée par le moyen d'alimentation AP par une puissance P, une puissance égale a 0,1 P environ est rayonnee par la ligne d'excitation LEl en onde de sol, et une puissance égale a 0,9 P environ est récupérée pour alimenter la deuxième antenne. De la même manière, une puissance égale à 0,09 P environ est rayonnee par la ligne d'excitation LE2 en onde de sol, et une puissance égale à 0,81 P environ est récupérée pour alimenter la troisième antenne. Par conséquent, une puissance égale a 0,9 xθ,l P environ est rayonnee par la ligne d'excitation LEn d'une dernière antenne du réseau en onde de sol, et seulement une puissance environ égale a 0,9 P est perdue.

La ligne d'excitation LEn de la dernière antenne est terminée sur une charge d'impédance Zc égale a l'impédance caractéristique de la ligne d'excitation LEn. Par ailleurs, toutes les lignes d'excitation du réseau ont la même impédance caractéristique Zc, de sorte qu'une deuxième ligne d'excitation consécutive a une première ligne d'excitation soit vue comme une

charge d'impédance Zc pour la première ligne d' excitation .

Le mode de fonctionnement de chaque antenne de sol selon l'invention repose sur l'excitation du sol par la ligne d'excitation métallique LE en demi-onde, piégée entre la surface du sol S et le plan de masse PM afin de créer une composante de champ électrique normale Ey assurant à l'antenne une polarisation verticale. La ligne d'excitation LE fait office de source d'excitation linéaire horizontale placée au- dessus du sol et parcourue par un courant parallèle au sol en régime d'onde progressive. L'onde de sol générée par l'antenne se trouve guidée par la bande de terre par suite de réflexions multiples sur la surface de séparation entre le diélectrique constitué par la terre et le milieu extérieur constitué par l'air et sur la surface métallique enfouie constituée par le plan de masse PM. Le plan de masse PM nécessaire pour générer l'onde dans le sol est de préférence une bande métallique dont la largeur est sensiblement égale a la hauteur H à laquelle s'étend la ligne d'excitation au-dessus du plan de masse, ce qui évite des effets de bords de champ électrique entre la ligne d'excitation et le plan de masse et améliore le confinement des lignes de champ électrique sous la ligne d'excitation.

Grâce à l'enterrement du plan de masse PM, des lignes de champ électrique sont canalisées au ras du sol S de manière a injecter un courant eleve a haute fréquence dans le sol et ainsi y propager une onde de sol hectométrique, ou kilométrique, porteuse de signal d'émission utile. L'épaisseur e influence également le fonctionnement de l'antenne

particulièrement dans la réactance capacitive de 1 ' antenne .

En se basant sur l'optique géométrique, on montre que l'antenne de sol est le siège de deux ondes : une onde de surface dans l'air, dite onde évanescente, et une onde guidée, dite onde captive, dans la terre qui est un diélectrique à perte selon la fréquence utile. La résolution des équations de

Maxwell pour les deux milieux constitues par l'air et la terre montre que dans chacun des deux milieux :

- une onde transverse électrique ne se propage que si la longueur d'onde est inférieure a la longueur d'onde de coupure suivante : λ _c = 4 eVN ² - 1 , et - une onde transverse magnétique peut exister quelle que soit l'épaisseur e de la terre diélectrique .

La constante d'atténuation α exprimant la décroissance exponentielle de l'onde de sol au-dessus de la terre diélectrique donnée par : α = 4 π ² e (K - 1) / (λ ² K) , ou K est la constante diélectrique relative entre les deux milieux constitués par l'air et la terre . On désigne par A exp(-αx) la variation de l'amplitude A de l'onde de sol en fonction de la hauteur x par rapport au sol, et par P = 1/α la hauteur pour laquelle la valeur relative de l'amplitude de l'onde de sol est passée de 1 à 1/e, e désigne ici le nombre exponentiel, ce qui correspond a 87% de l'énergie localisée dans une zone d'épaisseur P au-dessus du sol.

Il en résulte que l'onde de sol est utilisable en onde longue et moyenne sur différentes qualités de sol, est également reçue en hauteur avec une qualité

acceptable pour une hauteur inférieure à 1000 m, et n'atteint pas la couche ionosphérique .

L'onde evanescente accompagne l'onde captive, et a un grand intérêt pour la diffusion puisqu'elle est perçue à la surface du sol.

L'onde captive est une onde guidée dans la terre. Une onde guidée pure ne peut donner lieu à aucun rayonnement sauf si l'onde rencontre toutes sortes de discontinuités comme des changements d'indices de refraction, de milieux, de dimensions ou d' obstacles .

L'évaluation de l'énergie rayonnee peut être effectuée sur un modèle simple constitue de deux milieux d'indices de réfraction Ni et N2 et d'atténuation ai et 0( ₂ . On montre que le coefficient de transmission T de l'onde de surface a travers la discontinuité, ou en d'autres termes, le rapport T entre les amplitudes dans le milieu Ni et le milieu N ₂ peut s'écrire : T = 2 [ (ai «2) / (ai + «2) ] •

La présence de la discontinuité provoque alors une perte d'énergie rayonnee que l'on peut évaluer à:

2 2 2 2

D = 1 - T = (ai - 0C2) I (ai + 0.2) .

Chaque antenne de sol du réseau selon l'invention réside sur ce principe. Comme le montre les équations précédentes, toute variation d'un indice de réfraction Ni ou N2, ou de l'épaisseur e, provoque une atténuation différente et donc un rayonnement différent. L'antenne exploite la discontinuité entre l'air et le sol et rayonne ainsi grâce à la principale discontinuité, indiquée en D dans la figure 1, créée a la périphérie de l'antenne entre le couple sol et plan de masse métallique et le sol sans le plan de masse métallique. L'invention tire parti de la bonne conduction électrique de la

terre, ou du sol en général, aux fréquences basses, pour solliciter le sol comme vecteur de propagation de l'onde de surface et de l'onde guidée. Par ailleurs, toute discontinuité importante sur le parcours de l'onde de sol est supprimée afin de ne rayonner aucune onde d'espace.

Aux longueurs d'onde utiles de l'antenne selon l'invention, seule l'onde transverse magnétique TM est excitée par le courant dans la ligne d'excitation LE parallèle au sol à quelques mètres. La hauteur H-e par rapport au sol résulte d'un compromis entre un mode de couplage serré, l'impédance de la ligne d'excitation, la bande passante souhaitée et l'encombrement de l'antenne.

Chaque antenne de sol du réseau selon l'invention peut être considérée en analyse radioélectrique quelque peu équivalente à une ligne bifilaire de longueur LLE supposée proche d'une demi- longueur d'onde, comme schématisé à la figure 5. L'un des fils de la ligne bifilaire est constitué par la ligne d'excitation LE et est situé dans l'air au- dessus du sol S. L'autre fil de la ligne bifilaire est constitué par le plan de masse PM dans le sol. La ligne bifilaire présente donc un milieu sans perte et un milieu avec des pertes : les deux milieux étant différents, il y a naissance d'un déséquilibre dans le mode ligne fondamental de la ligne. Ce déséquilibre ne peut être rétabli que par la présence d'un courant différentiel siégeant à la surface du sol imparfait, mais très bon conducteur de l'onde de sol .

On rappelle que le champ électrique E d'une onde se propageant à la surface d'un conducteur parfait est perpendiculaire à cette surface, sans composante

de champ tangentielle Ex. Le sol n'étant pas parfait, une composante tangentielle supplémentaire Ex apparaît à la surface du sol. Le champ électrique présente ainsi une composante verticale Ey prépondérante a la surface du sol S et la composante tangentielle supplémentaire Ex et devient elliptique dans un plan parallèle à la direction de propagation. La discontinuité du milieu air/sol et la perte dans le sol diélectrique conduisent à l'établissement d'un courant de sol. Le front d'onde est ainsi incliné et la vitesse au sol du courant est ralentie, l'onde guidée à la surface du sol est donc appelée une onde lente puisqu'elle a une vitesse inférieure à celle de la lumière. La polarisation verticale est exploitée dans l'antenne et la composante de champ électrique horizontale est négligeable dans la propagation par l'antenne. Plus particulièrement, pour satisfaire des conditions à la frontière entre les milieux, le champ tangentiel est nul à la surface du sol. Le champ électrique étant vertical, la phase de ce dernier suit la phase du courant traversant la ligne d'excitation avec un léger retard puisque le champ est véhiculé par l'onde guidée qui est lente. Une meilleure directivité et efficacité de l'antenne peut être obtenue en limitant la longueur de la ligne d'excitation. Une ligne trop longue inverse la phase de la composante verticale du champ électrique et détériore la directivité de l'antenne. En inversant la phase à l'extrémité d'une ligne de longueur optimisée, c'est-a-dire proche de la demi- longueur d'onde, ladite ligne peut être raccordée à une autre ligne d'excitation colinéaire à la ligne d'excitation précédente, par l'intermédiaire d'un moyen d'interconnexion tel que décrit précédemment,

afin de sommer les rayonnements des deux lignes et améliorer la directivité.

Pour conférer une large bande passante a l'antenne, la ligne d'excitation de l'antenne doit être terminée par une charge terminale adaptée dont l'impédance est égale a l'impédance caractéristique de la ligne d'excitation, afin de passer à un régime d'ondes progressives, autorisant ainsi qu'un seul courant dans le sens de propagation vers la charge. Dans le mode de fonctionnement envisagé et en référence à la figure 6 montrant schématiquement un circuit ferme équivalent à celui d'une seule antenne, l'impédance de rayonnement Z _an t de l'antenne est sensiblement égale à l'impédance caractéristique de l'antenne, par exemple comprise entre 200 ω et 500 ω, et la longueur LLE de la ligne d'excitation LE est de l'ordre de la demi-longueur d'onde λ/2. L'impédance de rayonnement Z _an t de l'antenne est l'impédance ramenée d'une impédance terminale Zt à travers les deux parties de l'antenne, la ligne d'excitation horizontale LE et un élément de liaison vertical EL comprenant le moyen d'alimentation AP et les deux fils reliant l'émetteur de ce dernier au plan de masse et à la ligne d'excitation, qui ont des impédances caractéristiques propres ZLE et ZEL- L'impédance terminale Zt est placée en bout de ligne a une extrémité LEd, entre cette extrémité et le plan de masse PM. La ligne horizontale constituée par la ligne d'excitation LE de longueur LLE et de diamètre D, placée à la hauteur H au-dessus du plan de masse métallique, a une impédance caractéristique de : ZLE = 138 log(4H/D) .

La ligne verticale constituée par l'élément de liaison EL de hauteur H et de diamètre d a une impédance caractéristique sensiblement égale à :

Z _EL = 60 (2,306 log(4H/d) - 1). L'impédance Z _LE g ramenée à l'extrémité LEg de la ligne horizontale par transformation de l'impédance terminale Zt est:

ZLEg = ZLE (Zt + J Z _LE tg ( βL _L E) ) / ( Z _L E + j Z _t tg(βL _LE ) ) , soit pour Z _LE = Z _t , Z _LEg = Z _LE , avec β = 2π/λ = 2πF/c, c étant la vitesse de la lumière .

Par conséquent, l'impédance ramenée est indépendante de la longueur de la ligne et de la fréquence F, et l'antenne a donc une large bande passante .

L'impédance ramenée au pied de la ligne verticale par transformation de l'impédance terminale ZLEg est: Z Z _a a _n n _t t == = Zz _EELL (Z _L Eg + j Z _EL tg(βH))/(Z _EL + j Z _LEg tg (βH)),

Soit

Zant = = z _EL (Z _L E + j Z _EL tg(βH))/(Z _EL + j ZLE tg (βH)) .

LLaa hhaauutteeuurr H étant faible devant la longueur d'onde λ, l'impédance de rayonnement Z _an t de 1 ' antenne devient : ^z ant = ² LE-

Cette égalité confirme que chaque antenne est à onde progressive, indépendante de la fréquence, et donc à large bande. La bande passante du réseau d'antennes dépend alors des dimensions de chaque antenne et des moyens d'interconnexion entre les antennes .

Pour l'exemple d'antenne défini ci-dessus avec des dimensions de H = 3,5 m, D = d = 0,063 m et LLE ⁼ 100 m, les lignes ont les impédances caractéristiques suivantes : Z _L E = 324 ω et Z _E L = 265 ω. Pour une longueur totale de ligne égale à 100 m terminée par une charge de 450 ω, en utilisant un amplificateur de type transformateur torique 1/9 sans perte en sortie d'un générateur de 50 ω, une bande passante supérieure à 300 kHz a été mesurée dans la bande des ondes moyennes ou longues. Par ailleurs, pour une puissance fournie de +16 dBm par le générateur, une fréquence de 1330 kHz est mesurée à l'extrémité de la ligne au niveau de la charge terminale, par exemple par une pince de courant à haute fréquence calibrée. Un courant de 8,9 mA est alors mesuré dans la charge de 450 ω, ce qui correspond à une puissance reçue égale à :

P = 450 x 0,0089 ² W = 35,6 mW = +15,5 dBm .

On déduit de la puissance fournie de +16 dBm et de la puissance reçue de +15,5 dBm une puissance rayonnée de +0,5 dBm. Ces résultats confirment qu'environ 10% de la puissance fournie est rayonnée en onde de sol et qu'environ 90% de la puissance fournie est reçue par la charge et peut donc être récupérée pour alimenter une autre antenne. La résistance de perte relative à la ligne d'excitation et le plan de sol est estimée à 1 ω environ et est donc très inférieure à l'impédance caractéristique de la ligne, c'est-à-dire de la charge, et n'entre donc pas dans le bilan de perte en puissance.

Toujours pour une longueur totale de ligne égale à 100 m terminée par une charge de 450 ω, et une puissance rayonnée de +0,5 dBm, le rendement du réseau d'antenne est plus élevé pour une longueur d'onde comprise entre 0,45 λ et 0,65 λ, et passe par

un maximum pour une longueur d'onde égale à 0,57 λ. Le rendement est en outre presque invariant pour une hauteur h de la ligne par rapport au sol comprise entre 1 m et 3 m. Un champ électrique de sol mesure a une distance de 1100 m du reseau d'antennes atteint une valeur de 42 dBuV/m pour une fréquence de 1705 kHz, soit une longueur de ligne égale a 0,57 λ avec λ = 176 m.

D'après ce qui précède, l'antenne peut avoir une impédance élevée, ce qui limite l'intensité du courant et les pertes ohmiques pour une fréquence donnée. Par ailleurs, le choix d'un matériau très conducteur tel que le cuivre n'est pas obligatoire. En puissance élevée, le gradient de potentiel Gv proportionnel à l' intensité I du courant traversant la ligne d'excitation de rayon r = D/2 doit être inférieur à une limite donnée selon la relation suivante : Gv = 60 I/r < 7000 V/cm.

Pour une ligne de diamètre 12 mm, le courant maximum serait de 70 A, ce qui correspond a une puissance maximale d'environ 160 kW pour une ligne d'impédance égale à 330 ω. Si la ligne d'excitation est une cage composée de plusieurs fils métalliques parallèles identiques ayant un diamètre de 12 mm, la puissance transportée peut atteindre 1 MW.

Puisque la phase du courant évolue en fonction de la longueur de la ligne d'excitation de chaque antenne du reseau, ce dernier comprend optionnellement un moyen de remise en phase entre les deux antennes de chaque couple d'antennes consécutives du reseau afin de remettre en phase les

ondes rayonnées par les deux antennes et de maximiser ainsi le gain du réseau.

Selon la disposition des antennes du reseau, le moyen de remise en phase peut être une ligne de retour souterraine LR ou un transformateur TRA inverseur de phase, éventuellement associé a une capacité ou une self.

Dans un premier exemple, une première antenne a une ligne d'excitation sensiblement rectiligne et ayant une longueur de l'ordre de la demi- longueur d'onde. La phase du courant à l'extrémité de la ligne d'excitation a tourne de 180°. Une ligne de retour souterraine reliant la ligne d'excitation de la première antenne a la ligne d'excitation d'une deuxième antenne a la même longueur que la ligne d'excitation de la première antenne. Dans ce cas, la phase du courant à l'extrémité de la ligne de retour a également tourné de 180°. Ainsi, la deuxième antenne est alimentée en phase avec la première antenne.

Dans un deuxième exemple, une première antenne a une ligne d'excitation ayant une longueur égale a 0,57 λ. La phase du courant à l'extrémité de la ligne d'excitation a tourne de 205°. Une ligne de retour souterraine reliant la ligne d'excitation de la première antenne à la ligne d'excitation d'une deuxième antenne a une longueur plus courte que la ligne d'excitation de la première antenne de sorte que la phase du courant à l'extrémité de la ligne de retour ait tourné de 155°, afin que les première et deuxième antennes soient alimentées en phase.

Selon ce deuxième exemple, la ligne d'excitation peut être suspendue entre des poteaux isolants régulièrement répartis le long de la ligne, la flèche entre deux poteaux consécutifs conférant une longueur

supplémentaire a la ligne d'excitation aérienne par rapport à la ligne de retour s 'étendant par exemple rectilignement sous la ligne aérienne. La ligne d'excitation peut en outre s'étendre en zigzag de manière tendue ou être légèrement enroulée en spirale sur elle-même tout en préservant une direction principale .

Dans un troisième exemple, les extrémités d'un transformateur inverseur de phase comprenant par exemple des bobines entrelacées sont reliées aux lignes d'excitation d'une première antenne et d'une deuxième antenne, la ligne d'excitation de la première antenne étant de longueur de l'ordre de la demi-longueur d'onde. Dans tous les exemples, pour ajuster la phase du courant entre les deux antennes, la ligne de retour ou le transformateur peut être associé à une capacité pour un allongement de la longueur électrique de la ligne, ou à une inductance pour une réduction de la longueur électrique de la ligne.

En fonction des besoins, le moyen d'alimentation en puissance AP comprend plusieurs moyens d'alimentation en puissance fournissant des signaux par exemple de programmes radiophoniques numériques qui peuvent être multiplexes en entrée du réseau d'antennes. Les antennes du reseau ont alors des longueurs différentes afin qu'elles diffusent respectivement les signaux dans des bandes de fréquence différentes.

On notera que l'antenne à onde de sol selon l'invention décrite ci-dessus peut être indifféremment une antenne d'émission pour émettre, ou bien une antenne de réception pour recevoir une

onde kilométrique ou hectométrique de sol porteuse d'un signal utile, tout en étant discrète et insensible aux parasites extérieurs sur le sol et de 1 ' ionosphère .