Brevet FR2795240A1 — publié le 20001222

ANTENNE DE STATION DE BASE DE RADIOCOMMUNICATION La présente invention concerne les antennes utilisées dans les stations de base de radiocommunication cellulaire. L'essor des radiocommunications cellulaires requiert de nombreux sites d'installation de stations de base. Les opérateurs cellulaires peuvent éprouver des difficultés pour trouver de tels sites. Outre les problèmes de disponibilité des sites, il se pose le problème de la gêne perçue par le public du fait de l'encombrement et du manque d'esthétique des antennes des stations de base qui, pour l'efficacité du réseau, doivent bien entendu être placées en hauteur et de façon visible. Dans certains pays, des réglementations, ou des taxations, visent à limiter le nombre de ces antennes. L'utilisation d'antennes multisectorielles permet de réduire le nombre de sites des stations de base pour une couverture donnée. Toutefois, ces antennes multisectorielles, du fait de leur directivité et de leur multiplicité, sont sensiblement plus encombrantes que les antennes omnidirectionnelles. Pour augmenter le gain de directivité d'une antenne de station de base, on utilise un réseau d'éléments rayonnants disposés de façon particulière par rapport à la longueur d'onde à émettre, et alimentés par les mêmes signaux radio auxquels sont appliquées des lois de déphasage et d'amplitude appropriées. Les dimensions du réseau sont d'autant plus importantes qu'on cherche un gain de directivité élevé. L'ordre de grandeur de la dimension de chaque élément rayonnant est la longueur d'onde transmise, c'est-à-dire dans la gamme décimétrique, et leur agencement en réseau conduit à des antennes dont les dimensions peuvent être d'un à plusieurs mètres. Les difficultés évoquées ci-dessus sont encore aggravées par le déploiement de réseaux utilisant des gammes de longueur d'onde différentes. Par exemple, en Europe, les systèmes numériques de seconde génération utilisent une bande voisine de 900 MHz (GSM, Global System for Mobile communications ) et une bande voisine de 1800 MHz (DCS, Digital Cellular System ), et les futurs systèmes de troisième génération (UMTS, Universal Mobile Telecommunication System ) utiliseront une bande de fréquence voisine de 2000 MHz. Pour mettre en place une infrastructure d'un nouveau type de réseau, un opérateur exploitant déjà un autre type de réseau doit prévoir de nouvelles antennes. Soit il dispose de nouveaux sites d'installation, soit il est amené à multiplier les antennes sur ses sites préexistants. Dans les deux cas, les antennes prolifèrent. En outre, l'installation sur le même site d'antennes fonctionnant dans des gammes de fréquences dont le rapport est un petit entier pose des problèmes d'isolation dus à la réception par une antenne d'harmoniques des fréquences émises par une autre antenne. Ce cas de figure est celui des bandes du GSM et du DCS, pour lequel on estime que les antennes, déjà encombrantes, doivent être espacées d'au moins 50 centimètres. Un but principal de la présente invention est de proposer un agencement d'antennes qui permette d'associer des éléments rayonnants ayant des caractéristiques de rayonnement différentes (en directivité eVou en fréquence) dans un agencement relativement compact, afin de limiter les difficultés ci-dessus. L'invention propose ainsi une antenne de station de base de radiocommunication, comprenant plusieurs sources primaires alimentées de manière indépendante et agencées de façon à présenter des caractéristiques de rayonnement différentes, les sources primaires étant placées dans un premier milieu de façon à être spatialement découplées. Selon l'invention, l'antenne comprend en outre au moins un second milieu recouvrant le premier milieu et ayant une impédance caractéristique sensiblement plus basse que le premier milieu. Chaque source primaire a au moins une direction de focalisation perpendiculaire à l'interface entre les premier et second milieux, suivant laquelle la distance di entre ladite source primaire et ladite interface est sensiblement égale à kl.(2p,-1)I4 et le second milieu a une épaisseur e2 sensiblement égale à k2.(2P2-1)I4, où a.i et k2 désignent les longueurs d'onde rayonnées par ladite source primaire dans les premier et second milieux, respectivement, et pl et p2 sont des entiers. Les milieux environnant les sources primaires présentent des conditions de résonance qui procurent un gain de directivité, en site et éventuellement en azimut. Le principe physique de cette résonance a été décrit pour le cas d'antennes conformées dans l'article Gain Enhancement Methods for Printed Circuit Antennas de D.R. Jackson et al., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-33, No. 9, septembre 1985, pages 976 987. Le gain en amplitude procuré par les premier et second milieux, d'impédances caractéristiques respectives Zc, et Zr2, est de l'ordre de 2.ZclIZc2. L'impédance caractéristique Zc d'un milieu de permittivité diélectrique relative E, et de perméabilité magnétique relative p,, est donnée par avec ZCo = 1207c. En conséquence, les premier et second milieux peuvent avoir des paramètres E, et p, adaptés en fonction du gain recherché. Dans une réalisation préférée, on jouera essentiellement sur les permittivités diélectriques E,, afin d'utiliser des matériaux plus aisément disponibles. En général, on prendra un milieu à fort s, pour le second milieu et E@ 1 dans le premier milieu afin de maximiser le rapport Afin d'augmenter encore le gain de l'antenne, on peut recouvrir le premier milieu par une superposition de couches de focalisation, la première couche de focalisation, adjacente au premier milieu, étant formée par ledit second milieu, et chaque couche de focalisation étant formée par un milieu d'épaisseur sensiblement égale à Xi.(2pi-1)14 suivant la direction de focalisation de chacune des sources primaires, où Xi désigne la longueur d'onde rayonnée par ladite source primaire dans le milieu formant ladite couche de focalisation et pi est un entier. La i-ième couche de focalisation est formée, pour chaque entier impair i, par un milieu ayant une impédance caractéristique sensiblement plus basse que les milieux situés de part et d'autre de cette i-ième couche de focalisation. La i-ième couche de focalisation peut notamment être formée, pour chaque entier impair i, par un milieu ayant un cr sensiblement plus élevé que les milieux situés de part et d'autre de cette i-ième couche de focalisation. Augmenter le nombre de couches de focalisation augmente le gain en amplitude, qui est de l'ordre de s'il y a 2k couches de focalisation par dessus le milieu central à forte impédance, et de l'ordre de s'il y a 2k-1 couches de focalisation, Zd désignant pour i >_ 2 l'impédance caractéristique de la (i-1)-ième couche de focalisation (voir H.Y. Yang et al., Gain Enhancement Methods for Printed Circuit Antennas through Multiple Supertrates , IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-35, No. 7, juillet 1987, pages 860-863). Dans une forme de réalisation de l'antenne selon l'invention, les sources primaires sont alimentées et agencées de façon à rayonner selon des longueurs d'onde différentes. L'antenne est alors adaptée à des sites où sont installées des stations de base fonctionnant dans des bandes de fréquence différentes. Les milieux diélectriques peuvent être disposés parallèlement à un plan de masse, l'antenne pouvant alors être installée sur une paroi. Dans un autre agencement avantageux, les sources primaires sont disposées le long d'un axe autour duquel lesdits milieux présentent une symétrie de révolution. On peut alors réaliser des antennes omnidirectionnelles et/ou mu Iti sectorielles présentant un encombrement réduit. 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 une représentation d'une station de base équipée d'une antenne selon l'invention ; - les figures 2 et 4 sont des schémas en perspective d'une antenne omnidirectionnelle et d'une antenne trisectorielle selon l'invention ; et - la figure 3 est une vue en coupe latérale d'une autre antenne selon l'invention. La figure 1 montre une antenne 1 selon l'invention installée au sommet d'un mât 2 (ou de tout autre édifice) et reliée au moyen de câbles 3 à une station de base 4. Dans l'exemple de la figure 1, l'antenne 1, représentée plus en détail sur la figure 2, est de type omnidirectionnel, et permet de communiquer avec des terminaux radio mobiles selon trois bandes de fréquences distinctes. A titre d'exemple, cela peut être les bandes à 900 MHz du GSM, à 1800 MHz du DCS et à 2000 MHz de l' UMTS. Dans ce cas, la station de base 4 regroupe en fait, fonctionnellement, trois stations de base correspondant aux trois types de réseau, et trois câbles coaxiaux (feeders) relient ces stations de base à des sources primaires respectives 6A, 6B, 6C de l'antenne 1. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, chacune des sources primaires 6A-6C est un dipôle accordé sur une fréquence centrale de la bande de fréquence associée à cette source. Chaque dipôle est relié de manière classique à son feeder (non représenté sur la figure 2) qui l'alimente de façon indépendante des autres dipôles. Les trois dipôles 6A-6C de l'antenne de la figure 2 sont alignés sur un axe X, et entourés par une structure de focalisation présentant une symétrie de révolution autour de l'axe X. Cette structure de focalisation comporte un milieu central présentant, vis-à-vis des ondes radio, une impédance caractéristique Zcl relativement élevée. Lorsqu'on n'utilise pas de matériaux magnétiques (gl = 1), ce milieu central sera simplement choisi pour présenter une permittivité diélectrique proche de 1, de sorte que Zci @ Zco = 120n. Ce milieu à forte impédance occupe autour de chaque dipôle 6A, 6B, 6C une région cylindrique 7A, 7B, 7C alignée et centrée sur ce dipôle. La hauteur axiale de chacune de ces régions 7A-7C est de l'ordre de la longueur d'onde rayonnée par le dipôle correspondant 6A-6C. Son rayon dl (indiqué seulement pour la région 7A sur la figure 2) est de la forme Xl . (2p,-1)14, où pl est un nombre entier positif de préférence égal à 1, et Il désigne la longueur d'onde rayonnée par le dipôle 6A, 6B, 6C dans le milieu d'impédance Zcl. La longueur d'onde Il est donnée par la longueur d'onde Xo étant celle rayonnée dans le vide par la source 6A, 6B, 6C. Le milieu central à forte impédance 7A, 7B, 7C est entouré par une couche de focalisation 8A, 8B, 8C formée par un milieu présentant une impédance caractéristique Zc2 relativement basse. Lorsqu'on n'utilise pas de matériaux magnétiques (92 = 1), on choisit pour la couche de focalisation 8A, 8B, 8C un matériau diélectrique avec s2 1. Au droit de chaque source 6A, 6B, 6C, l'épaisseur e2 de la couche de focalisation 8A, 8B, 8C est prise égale à .2.(2p2-1)/4, où p2 est un entier positif de préférence égal à 1, et est la longueur d'onde rayonnée par la source correspondante 6A, 6B, 6C dans le milieu à faible impédance. Le milieu à forte impédance Zr, utilisé dans l'antenne 1 peut être l'air. II peut aussi être constitué à l'aide d'un matériau en nid d'abeille ou en mousse, dont la permittivité diélectrique décroît avec la densité (voir Radome Engineering Handbook, Design and Principles , J.D. WALTON Jr., Editions Marcel Dekker Inc., New York, 1970). Un tel matériau peut être réalisé à partir de résines ou de polymères, par exemple de type polyester, époxy, polyamide phénolique ou polyuréthane. Si le coût de l'antenne n'est pas le facteur le plus critique, on peut encore utiliser des matériaux présentant une permittivité très élevée, notamment des composés inorganiques tel qu'utilisés dans les radômes destinés aux hautes vitesses et hautes températures, par exemple A1203 (r zz 9) ou Ti02 (sr e#- 100). De tels matériaux peuvent être diffusés dans une matrice céramique de support, par exemple en silice, permettant d'ajuster la valeur de E,. Pour les couches de focalisation à basse impédance Z.2, on peut notamment utiliser des matériaux organiques tels qu'un polyester (Er de 4 à 5), un époxy (s, 5zz 4) ou un polyamide (sr = 3,5). L'assemblage de la structure de focalisation est par exemple réalisé par moulage, après avoir positionné les sources 6A-6C et leurs feeders. Si la tenue mécanique de l'un ou l'autre des milieux diélectriques l'exige, on peut le renforcer, par exemple avec des fibres de verre. On peut également utiliser des éléments de support, de conditionnement ou de protection qui ne perturbent pas le comportement électromagnétique de l'ensemble. La structure de focalisation peut également être réalisée de manière modulaire. La plus grande dimension de l'antenne 1 de la figure 2 est sa hauteur axiale qui, dans l'exemple considéré, peut rester de l'ordre de 50 cm. L'antenne multifréquence atteint donc l'objectif d'une grande compacité. Chacun des dipôles 6A, 6B, 6C a un diagramme de rayonnement omnidirectionnel, avec un ensemble de directions de focalisation A, B, C contenues dans le plan équatorial du dipôle. Le phénomène de résonance précité accroît la focalisation des ondes émises par les dipôles 6A-6C selon ces directions A-C (focalisation en site). Le gain en amplitude procuré par la structure composite de focalisation est donné par 2.Zcl/Zc2. Le gain en puissance g, exprimé en dB, est donné par g = 20.loglo(2.Zc,/Zc2). On voit qu'on obtient aisément des gains de focalisation de plusieurs décibels. Ce gain peut être augmenté en ajoutant des couches de focalisation, alternativement de haute et de basse impédance. L'antenne 11 représentée sur la figure 3 a une configuration générale plane. Le milieu 17A, 17B, 17C à forte impédance contenant les dipôles (ou autres sources primaires) 16A, 16B, 16C est déposé sur un plan de masse conducteur 15. Ce milieu 17A, 17B, 17C forme au niveau de chaque source 16A, 16B, 16C une couche d'épaisseur ll.(2q-1)I2, Il étant la longueur d'onde rayonnée dans le milieu par la source en question, et q un entier positif avantageusement égal à 1. La distance dl entre la source 16A, 16B, 16C et l'interface avec la première couche de focalisation à haute impédance 18A, 18B, 18C est de la forme kl.(2p,-1)14, L'épaisseur ei de la (i-1)-ième couche de focalisation à haute impédance (i > 2) est de la forme ki.(2pi- 1)I4. Les couches de focalisation successives (18A, 19A, 20A), (18B, 19B, 20B), (18C, 19C, 20C) sont alternativement à basse impédance et à haute impédance, c'est-à-dire que pour chaque entier impair i, la i-ième couche de focalisation est formée par un milieu dont l'impédance caractéristique ZC2 est plus basse que celle Zc1 des milieu situés de part et d'autre de cette i-ième couche. L'antenne 11 selon la figure 3 peut être installée par exemple sur une paroi afin de rayonner de façon directive (directions A-C) vers une zone à couvrir par la station de base. La figure 4 illustre schématiquement une antenne multisectorielle réalisée selon l'invention. La géométrie de la structure de focalisation est à symétrie de révolution autour de l'axe X, suivant lequel sont alignés trois sources primaires 26A, 26B, 26C. Chacune de ces sources primaires est par exemple constituée d'un motif conducteur carré ( patch ) formé sur un substrat diélectrique (technologie microstrip). Ce type de source présente une directivité en azimut et en site, selon une direction A, B, C perpendiculaire au substrat. La structure de focalisation à géométrie cylindrique permet d'accroitre la focalisation en site et donc le gain de l'antenne 21. Pour limiter l'encombrement des sources 26A-26C au coeur de la structure de focalisation, on peut les réaliser sur un substrat à fort F-r Dans l'exemple de la figure 4, les trois sources primaires directives 26A-26C sont accordées sur la même fréquence, et elles sont disposées sur l'axe X de façon que leurs directions de focalisation A-C soient des directions radiales orientées à 120 les unes des autres. L'antenne est donc trisectorielle. Le milieu central à forte impédance 27 et la couche de focalisation 28 (et éventuellement les couches suivantes non représentées) ont des dimensions fixées comme indiqué précédemment compte tenu de la longueur d'onde rayonnée par les sources 26A-26C. On notera qu'il est possible d'adjoindre aux sources primaires 26A-26C formant une antenne multisectorielle selon la figure 4 une source omnidirectionnelle telle qu'un dipôle, pour former une antenne mixte. D'autre part une antenne selon l'invention peut être réalisé avec divers types de sources primaires (dipôles simples ou croisés, fentes, motifs microstrip), disposées chacune en dehors des lobes d'émission des autres afin d'assurer leur découplage électromagnétique. REVENDICATIONS 1. Antenne de station de base de radiocommunication, comprenant plusieurs sources primaires (6A-6C, 16A-16C, 26A-26C) alimentées de manière indépendante et agencées de façon à présenter des caractéristiques de rayonnement différentes, les sources primaires étant placées dans un premier milieu (7A-7C, 17A-17C, 27) de façon à être spatialement découplées, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un second milieu (8A- 8C, 18A-18C, 28) recouvrant le premier milieu et ayant une impédance caractéristique sensiblement plus basse que le premier milieu, et en ce que chaque source primaire a au moins une direction de focalisation (A-C) perpendiculaire à l'interface entre les premier et second milieux, suivant laquelle la distance (dl) entre ladite source primaire et ladite interface est sensiblement égale à k,l .(2p,-1)14 et le second milieu a une épaisseur (e2) sensiblement égale à .2.(2p2-1)14, où X., et 1.2 désignent les longueurs d'onde rayonnées par ladite source primaire dans les premier et second milieux, respectivement, et pl et p2 sont des entiers. 2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle le second milieu (8A-8C, 18A-18C, 28) a une permittivité diélectrique sensiblement plus élevée que le premier milieu (7A-7C, 17A-17C, 27). 3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le premier milieu (17A-17C) est recouvert par une superposition de couches de focalisation (18A-18C, 19A-19C, 20A-20C), la première couche de focalisation (18A-18C) , adjacente au premier milieu, étant formée par ledit second milieu, dans laquelle chaque couche de focalisation est formée par un milieu d'épaisseur sensiblement égale à Xi.(2pi- 1)I4 suivant la direction de focalisation (A-C) de chacune des sources primaires (16A-16C), où Xi désigne la longueur d'onde rayonnée par ladite source primaire dans le milieu formant ladite couche de focalisation et pi est un entier, et dans laquelle la i-ième couche de focalisation est formée, pour chaque entier impair i, par un milieu ayant une impédance caractéristique sensiblement plus basse que les milieux situés de part et d'autre de ladite ï-ième couche de focalisation. 4. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle la i-ième couche de focalisation est formée, pour chaque entier impair i, par un milieu ayant une permittivité diélectrique sensiblement plus élevée que les milieux situés de part et d'autre de ladite i-ième couche de focalisation. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les sources primaires (6A-6C, 16A-16C) sont alimentées et agencées de façon à rayonner selon des longueurs d'onde différentes. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les sources primaires (6A-6C, 26A-26C) sont placées le long d'un axe (X) autour duquel lesdits milieux présentent une symétrie de révolution. 7. Antenne selon la revendication 6, dans laquelle les sources primaires comprennent des dipôles (6A-6C) alignés sur ledit axe (X). 8. Antenne selon la revendication 6, dans laquelle plusieurs des sources primaires (26A-26C) sont alimentées et agencées de façon à rayonner selon sensiblement la même longueur d'onde, et ont des directions de focalisation en site et en azimut (A-C) orientées selon des directions radiales distinctes par rapport audit axe.