Brevet FR2779022A1 — publié le 19991126

df 2779022 STATION DE BASE DE RADIOCOMMUNICATION La présente invention concerne une station de base de radiocommunication. Cette station est notamment destinée à un réseau cellulaire, et plus particulièrement à des cellules de petites dimensions (micro- ou picocellules) en environnement de type "indoor" (station installable à l'intérieur de locaux). On cherche généralement à faire en sorte que les systèmes d'antennes des stations de base de radiocommunication rayonnent une onde polarisée verticalement par rapport au sol, c'est-à- dire avec un vecteur champ électrique dirigé verticalement. La raison en est que les dipôles des antennes des stations mobiles sont le plus souvent orientés autour de la verticale lorsque ces stations sont en cours de communication. La polarisation verticale de l'onde produite par la station de base permet donc d'optimiser la puissance captée. En général, il est souhaitable d'intégrer le système d'antenne à la structure du boîtier de la station, afin de limiter les coûts d'installation liés à l'emploi de connecteurs, câbles et antennes déportés. Pour les applications "indoor", deux dispositions des stations de base (ou de leurs systèmes d'antennes si ceux-ci forment des unités distinctes de celles assurant les traitements numériques et l'interface avec les réseaux fixes) sont couramment employées par les installateurs: une disposition murale et une disposition au plafond. L'antenne consiste souvent en un dipôle (ou un monopole) qui rayonne un onde dont le champ électrique est polarisé parallèlement à l'axe du dipôle. On rencontre également des antennes à circuit imprimé de type microstrip, dont le diagramme de rayonnement est plus directif. Pour que le champ électrique produit soit polarisé verticalement dans les deux dispositions usuelles, murale et au plafond, on est amené à multiplier par deux le nombre de systèmes d'antenne, ce qui n'est pas économique et peut poser des problèmes d'encombrement. Sinon, on doit concevoir deux architectures distinctes, l'une pour la position murale et l'autre pour la position plafond, ce qui est également pénalisant. Un but de la présente invention est de proposer des stations de base dont les systèmes d'antenne s'adaptent bien aux différentes conditions usuelles d'installation "indoor", sans nécessiter de duplication. L'invention propose ainsi une station de base de radiocommunication comprenant, pour communiquer par radio avec des stations mobiles, au moins un système d'antenne comportant un boîtier pour sa fixation sur un support. Selon l'invention, le système d'antenne est agencé pour émettre, dans une première direction sensiblement perpendiculaire à une face avant du boîtier, un champ électrique de polarisation orientée selon une seconde direction sensiblement parallèle à ladite face avant, et pour émettre, dans au moins une autre direction sensiblement plus proche de la seconde direction que de la première direction, un champ électrique de polarisation orientée sensiblement selon la première direction. En position murale, on disposera le système d'antenne de façon que la "première direction" soit verticale. Les stations mobiles situées en regard du système d'antenne recevront ainsi une onde dont le champ électrique présente une composante verticale relativement importante, ainsi qu'il est souhaitable. En position plafond, la face avant du boîtier sera horizontale. L'"autre direction" étant orientée vers une zone à couvrir, les stations mobiles situées dans cette zone recevront également une onde dont le champ électrique présente une composante verticale relativement importante. Il est vrai qu'à l'aplomb du boîtier, le champ électrique directement rayonné est quasi-horizontal. Mais grâce au fait que les stations mobiles qui s'y trouvent reçoivent une puissance assez élevée, cette orientation du champ électrique ne pose pas de problème de sensibilité. Au -3 - contraire, le fait de rayonner un champ électrique quasi- horizontal à proximité immédiate de la station permet, grâce aux pertes par dépolarisation, de limiter l'incidence des problèmes de "blocking", c'est-à-dire de saturation des récepteurs (voir spécification GSM 05.05). Ces problèmes de "blocking" sont très importants en pratique et conduisent actuellement à des spécifications sévères quant à la linéarité des récepteurs, ce qui est un facteur de surcoût. Le système d'antenne peut notamment comprendre une ou plusieurs fentes rayonnantes dont l'orientation est perpendiculaire aux première et seconde directions. Cette réalisation permet un agencement simple et compact du système d'antenne pour obtenir les polarisations souhaitées du champ électrique dans les différentes directions. La ou les fentes peuvent être formées sur la face avant du boîtier lui-même. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un diagramme montrant le champ rayonné en avant d'une fente alimentée en radiofréquence; - la figure 2 est un schéma en perspective montrant une station de base selon l'invention en position murale; - la figure 3 est une vue en perspective montrant une station de base selon l'invention en position plafond; - la figure 4 est un diagramme de rayonnement d'une paire de fentes parallèles espacées de X/2, dans un plan perpendiculaire aux fentes; - la figure 5 est un schéma de moyens d'alimentation RF d'une paire de fentes rayonnantes d'une station de base selon l'invention; et - la figure 6 est un schéma en perspective d'une forme de réalisation de l'alimentation d'une fente individuelle. La figure 1 illustre les champs électrique E et - 4 - magnétique H de l'onde produite par une fente rayonnante formée dans un plan xOz. Ox désigne la direction longitudinale de la fente, et Oy la direction perpendiculaire au plan xOz. La fente 10 est alimentée en énergie radio électrique depuis sa face arrière, au moyen d'un conducteur parallèle à l'axe Oz. Des dimensions typiques de la fente sont une longueur de l'ordre de k/2 (suivant Ox) et une largeur de X/10 (suivant Oz), x étant la longueur d'onde rayonnee. Une telle fente rayonnante 10 formée dans une plaque conductrice infinie a un diagramme de rayonnement dual de celui du dipôle électrique. La propriété d'une telle fente que la présente invention exploite est le fait que le champ électrique E a une direction qui varie dans le plan yOz perpendiculaire à l'axe longitudinal Ox de la fente. Ainsi, le long de la direction Oy perpendiculaire au plan de la fente 10, le vecteur champ électrique E est dirigé suivant la direction Oz parallèle au plan de la fente, alors que dans les plans voisins du plan de la fente xOz, le vecteur champ électrique E est perpendiculaire au plan de la fente (parallèle à Oy). Lorsqu'on se déplace le long d'un demi-cercle 11 centré sur l'axe Ox (représenté en trait interrompu sur la figure 1), le vecteur champ magnétique H reste constant, tandis que le vecteur champ électrique E effectue un demi-tour. La courbe 12 montrée sur la figure 1 dans le plan xOy est une courbe isoE comprise dans le plan xOy, le long de laquelle le vecteur champ électrique E est constant (parallèle à Oz). Les courbes 13 et 14 sont des courbes iso-E situées immédiatement en avant du plan xOz (champ électrique E parallèle à Oy). Suivant l'invention, une telle fente rayonnante 10 est prévue sur la face avant 16 du boîtier 15 d'une station de base de radiocommunication cellulaire destinée à un environnement de type "indoor". Le diagramme de rayonnement réel de la fente dépend des dimensions du plan conducteur dans lequel elle est --5 -- formée. Dans la pratique, une telle fente de dimensions typiques k/2, k/10 formée dans un plan de masse dont les dimensions rectangulaires sont typiques de l'application considérée à une station de base de radiocommunication (quelques dizaines de centimètres), produit un diagramme de rayonnement quasiment hémisphérique. La figure 2 montre la station de base fixée à un mur. La face avant 16 de son boîtier 15 est disposée verticalement, parallèlement au mur, de façon que l'axe longitudinal Ox de la fente 10 soit positionné horizontalement. Ainsi, dans le plan horizontal xOy passant par la fente 10, le champ électrique rayonné E est sensiblement vertical (la courbe iso-E 12 de la figure 1, située dans un plan horizontal, est représentée en trait interrompu sur la figure 2). En conséquence, les stations mobiles 18 fonctionnant dans les locaux desservis par la station de base reçoivent un champ électrique E proche de la verticale, ce qui optimise la sensibilité. Si les antennes des stations mobiles 18 ne sont pas situées exactement dans le plan xOy, elles sont néanmoins relativement proches de ce plan, au-dessus ou au-dessous, de sorte que le champ électrique reçu E reste assez proche de la verticale puisque sa direction ne change que progressivement lorsqu'on se déplace le long de l'arc de cercle 11 représenté sur la figure 1. La figure 3 montre la station de base suspendue au plafond avec sa face avant 16 horizontale. Le boîtier 15 peut être placé près d'un angle du plafond comme représenté, la direction Oz pointant approximativement suivant la bissectrice de cet angle. Dans cette disposition, les stations mobiles 18 situées dans les locaux desservis voient également un champ électrique E dirigé approximativement suivant la verticale. En d'autres termes, les courbes iso-E 19 passant par les emplacements les plus probables des stations mobiles sont beaucoup plus proches des courbes 13 -6- et 14 représentées sur la figure 1 que de la courbe 12. Depuis la face avant 16 de la station de base, les mobiles 18 sont vus sous une incidence quasi-rasante, ce qui assure cette propriété du champ électrique dont l'invention tire parti. Cette dernière propriété n'est pas respectée à la verticale de la station de base, le champ électrique reçu en vue directe y étant quasiment horizontal. Toutefois, ces emplacements sont très proches de la station de base de sorte qu'un champ important y est capté. Il est plutôt judicieux, au regard des problèmes de "blocking" précédemment évoqués, que le champ électrique soit dépolarisé dans cette zone. Les figures 2 et 3 montrent que la même station de base, dont le système d'antenne consiste en une simple fente rayonnante 10 formée dans la face avant 16 de son boîtier 15, peut être utilisée sans autre mesure particulière en position murale ou en position plafond, tout en procurant l'orientation souhaitée du champ électrique rayonne. On peut noter que, dans la position plafond représentée sur la figure 3, la station de base dont le système d'antenne consiste en une fente rayonnante unique diffuse initialement une énergie radioélectrique relativement importante sous elle. Pour limiter cet effet, on prévoit avantageusement que le système d'antenne consiste en deux fentes parallèles formées dans la face avant 16 du boîtier 15 et séparées par une distance X/2 égale à la moitié de la longueur d'onde rayonnée. Dans la disposition plafond, le réseau formé par les deux fentes parallèles est alimenté en opposition de phase de façon que, si le réseau était réalisé à partir de sources isotropes, il rayonnerait un champ maximum dans le plan contenant les deux fentes (configuration de réseau "endfire"). Dans la position murale, le réseau est alimenté en phase de façon que, s'il était réalisé à partir de sources -7- isotropes, il rayonnerait un champ maximum dans le plan médian entre les deux fentes (configuration de réseau "broadside"). Un tel agencement, en position plafond, est représenté schématiquement sur la figure 4. L'énergie rayonnée par le système de deux fentes 10 espacées de k/2 et alimentées en opposition de phase forme deux lobes 20 symétriques par rapport au plan médian des fentes. Les interférences des ondes rayonnées par les deux fentes font que l'énergie rayonnée à proximité de ce plan médian est fortement réduite. On parvient ainsi à diminuer fortement la composante horizontale du champ électrique E rayonnée inutilement à la verticale du système d'antenne dans le cas o celui-ci se compose d'une seule fente. L'alimentation en énergie radiofréquence du système d'antennes à deux fentes 10 peut être réalisée par les moyens représentés schématiquement sur la figure 5. La puissance RF à rayonner est fournie à l'entrée d'un commutateur hybride 22 dont les deux sorties sont reliées par des conducteurs de même longueur électrique à deux entrées 24,25 d'un coupleur hybride 23. Le commutateur 22 délivre l'énergie radiofréquence soit à l'entrée 25 soit à l'entrée 24 du coupleur selon une commande externe dépendant de la position (murale ou plafond) dans laquelle la station est installée. Un exemple de commutateur hybride utilisable est le commutateur à pôle unique et à double passage (SPDT, "single pole - double through") modèle SWD-1 de la société R&K. Le coupleur hybride 23 a quatre accès 24-27, et peut être de type "rat-race" (voir "Lumped-element networks compose wide-bandwidth balun", Microwaves & RF, septembre 1993, page 119). Un coupleur "rat-race" comporte un motif conducteur séparé d'un plan de masse par une couche électrique, ce motif ayant la forme d'un cercle de diamètre 3k/2n le long duquel les quatre accès sont répartis: les second, troisième et quatrième accès sont respectivement situés à 60, 120 et 180 degrés par rapport au premier accès. Le premier accès 24 et le troisième accès 25 situé à 120 sont ceux qui sont reliés aux deux sorties du commutateur 22. Les second et quatrième accès 26,27 situé à 60 et 180 servent à alimenter respectivement les deux fentes 10, par exemple par l'intermédiaire de câbles coaxiaux identiques 28. Chaque câble coaxial 28 a son blindage relié au plan de masse du coupleur 23, et son âme reliée à l'accès 26, 27 transmet l'énergie à la fente 10. Avec l'agencement de la figure 5, le commutateur 22 est commandé pour délivrer la puissance RF sur l'accès 25 du coupleur 23 lorsque la station de base est installée en position murale. Dans ces conditions, les deux fentes 10 sont alimentées en phase, de sorte que l'énergie rayonnée est maximisée dans la direction souhaitée (plan médian entre les deux fentes) avec le champ électrique vertical. On obtient ainsi un gain en directivité de l'ordre de 3 dB. Dans la position plafond, le commutateur 22 délivre la puissance RF à l'accès 24, de sorte que les deux fentes sont alimentées en opposition de phase, ce qui procure l'effet d'interférence expliqué en référence à la figure 4. La figure 6 montre un composant hybride 30 pouvant servir d'antenne dans une station de base selon l'invention. La fente rayonnante 10 est unique dans le schéma de la figure 10, mais on comprendra que ce schéma peut être répété dans le cas de fentes rayonnantes multiples. Le composant 30 est de type "triplaque". Il se compose de deux plans métallisés 31,32 prenant en sandwich un diélectrique. Ces deux plans 31,32 sont reliés à la masse. La fente rayonnante 10 est gravée dans celui des plans de masse 31 qui est dirigé vers l'extérieur, l'autre plan de masse 32 étant ininterrompu. Une ligne conductrice 33 se trouve dans le diélectrique entre les plans de masse - 9 - 31,32. C'est sur cette ligne 33 qu'est fournie l'énergie radioélectrique (dans le schéma de la figure 5, la ligne 33 est reliée à l'accès 26 ou 27 du coupleur 23). Au voisinage de la fente 10, la ligne conductrice 33 est perpendiculaire à celle-ci. L'impédance de l'antenne à fente est réglée en jouant sur la position, le long de la direction longitudinale x de la fente 10, o la ligne 33 croise cette fente 10. Autour de la fente, quelques passages métallisés 34, formés à travers le diélectrique, relient entre eux les deux plans de masse 31,32 pour éviter les rayonnements par les côtés du composant et les renvois d'énergie vers le générateur. Des composants triplaque 30 tels que celui représenté sur la figure 6 ont l'avantage de procurer une réalisation compacte et bon marché du système d'antenne et de son alimentation. Un tel composant 30 peut être placé sur la face avant du boîtier pour rayonner les ondes présentant les propriétés expliquées précédemment. Dans les explications précédemment données, c'est l'ensemble de la station de base de la micro- ou pico- cellule qui est installée soit en position murale, soit en position plafond (figures 2 et 3). Bien entendu, dans le cas o la station de base présente une unité principale (assurant les traitement en bande de base et l'interface avec les réseaux fixes) distincte du ou des systèmes d'antenne employés pour desservir une cellule ou plusieurs secteurs depuis cette station de base, c'est chaque système d'antenne qui peut faire l'objet de l'installation murale ou plafond comme expliqué précédemment. Dans ce cas, le boîtier 15 pourvu de l'antenne à fente peut renfermer un duplexeur, un amplificateur de puissance pour l'émission, un amplificateur faible bruit pour la réception, et éventuellement certains filtres, modulateurs ou démodulateurs. La liaison entre l'unité principale de la station et un tel boîtier 15 peut consister en un câble coaxial si elle transporte des signaux radiofréquence, ou - 10 - en une simple paire torsadée si elle transporte des signaux en bande de base. - 11 - R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Station de base de radiocommunication comprenant, pour communiquer par radio avec des stations mobiles (18), au moins un système d'antenne comportant un boîtier (15) pour sa fixation sur un support, caractérisé en ce que le système d'antenne est agencé pour émettre, dans une première direction sensiblement perpendiculaire à une face avant (16) du boîtier, un champ électrique (E) de polarisation orientée selon une seconde direction sensiblement parallèle à ladite face avant, et pour émettre, dans au moins une autre direction sensiblement plus proche de la seconde direction que de la première direction, un champ électrique (E) de polarisation orientée sensiblement selon la première direction. 2. Station de base selon la revendication 1, dans laquelle le système d'antenne comprend au moins une fente rayonnante (10) orientée perpendiculairement aux première et seconde directions. 3. Station de base selon la revendication 2, dans laquelle chaque fente rayonnante (10) du système d'antenne est formée dans une partie du boîtier (15) s'étendant suivant sa face avant (16). 4. Station de base selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle le système d'antenne comprend une seule fente rayonnante (10) orientée perpendiculairement aux première et seconde directions. 5. Station de base selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle le système d'antenne comprend deux fentes rayonnantes parallèles (10) orientées perpendiculairement aux première et seconde directions et séparées par une distance sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde rayonnée, et des moyens (22,23,28,30) d'alimentation des deux fentes en énergie radioélectrique, agencés pour alimenter les deux fentes soit en phase soit - 12 - en opposition de phase selon que la face avant (16) du boîtier (15) est installée dans un plan horizontal ou vertical. 6. Station de base selon la revendication 5, dans laquelle les moyens d'alimentation comprennent un coupleur hybride à quatre accès (23), un commutateur RF double (22) dont une entrée reçoit l'énergie radioélectrique à rayonner et deux sorties sont respectivement reliées à deux accès (24, 25) du coupleur hybride, et deux moyens 1C, d'alimentation (28) reliant respectivement les deux autres accès (26,27) du coupleur hybride aux deux fentes rayonnantes (10). 7. Station de base selon la revendication 6, dans laquelle le coupleur hybride (23) est de type "rat race". 8. Station de base selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle les deux moyens d'alimentation (28) sont de type coaxial ou tri-plaque. 9. Station de base selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans laquelle un circuit imprimé tri-plaque (30) est disposé suivant la face avant (16) du boîtier (15), ce circuit imprimé comprenant deux plans conducteurs externes (31,32) reliés à la masse dont l'un, dirigé vers l'extérieur du boîtier (16), est gravé pour former chaque fente rayonnante (10), une ligne (33) d'alimentation de chaque fente (10) étant située entre les deux plans conducteurs externes.