Brevet FR2801139A1 — publié le 20010518

Antenne imprimée bi-bande La présente invention cor.erne une antenne imprimée é'émentaire en technologe plaquée pour un réseau de réception et/ou d'émission de signaux de télécommunications, capable de rayonner des champs radioélectriques duplexés en polarisation, c'est-à- dire fonctionnant en bi-polarisa-ion, et dans deux bandes de fréquence. Une telle antenne est par exemple destinée à fonctionner dans la première bande de fréquence d'un réseau cellulaire de radiotélécommunications selon la norme DCS-1800 et dans une deuxième bande de fréquence pour un système cellulaire de radiocommunications selon la norme GSM-900. Selon l'article intitulé "Multifrequency Operation of Microstrip Antennas Using Aperture Coupled Parallel Resonators" de Frederic Croq et 2 David M. Pozar, IEEE TRANSACTICNiS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, Vol. 40, No. 11, Novembre 1992, pages 1367 à 1374, une antenne à microruban comporte deux couches diélectriques entre lesquelles est prévu un plan conducteur de masse et sur les faces externes desquelles sont disposées respectivement un microruban de ligne d'alimentaticn hyperfréquence et un élément rayonnant. L'élément rayonnant comporte plusieurs bandes conductrices parallèles de différentes longueurs s'étendant perpendiculairement à une fente de couplage ménagée dans le plan conducteur de masse. En général, 2 N bandes conductrices sont réparties symétriquement par rapport à un axe transversal à la fente et constituent ainsi 2 N dipôles excités symétriquement par la fente et résonnant à N fréquences. 2 2801139 Selon l'article intitulé "Dual-Frequency and Broad-Band Antennas with Stacked Quarter Wavelength iemrents" de Lakhdar Zaid et ai., IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, Vol. 47, No. 4, Avril 1999, pages 654 à 660, une antenne bi-bande est formée de deux éléments quart-d'onde empilés, court- circuités le long de plans latéraux opposés, ou d'un plan latéral commun. Les antennes décrites dans ces deux articles offrent des largeurs de bande inférieures à 10% oour un taux d'ondes stationnaires TOS inférieur à 1,5, pour des fréquences moyennes de l'ordre de quelques gigahertz. La présente invention a pour but de concevoir une antenne imprimée fonctionnant dans deux bandes de fréquence avec un taux d'ondes stationnaires inférieur à 1,5 sur plus de 10% de la largeur de bande dans chacune des bandes, et avec des polarisations des champs électromagnétiques qui sont croisées dans les deux bandes pour ne pas perturber des signaux dans une bande par des signaux dans l'autre bande. une antenne imprimée selon l'invention comprend d'une manière connue par le brevet européen EP-B- 484241 au nom du demandeur et l'article intitulé "Dual-Polarization SlotCoupled Printed Antennas Fed by Stripline" de P. Brachat et al., IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, Vol. 43, No. 7, Juillet 1995, pages 738 à 742, une première couche diélectrique, une deuxième couche diélectrique, une première ligne d'alimentation hyperfréquence ayant un premier microruban disposé sur une face externe de la première couche et un plan conducteur de masse 3 2801139 disposé entre les première et deuxième coucres, et un oremier élément rayonnant disposé sur une u 7re tE:e de la deuxième couche et cormport arn 1 u S:ers premières bandes étroites conductrices s'eétendarnt perpendiculairement à une première fente Se couoiae ménagée dans le plan conducteur pour coupler la première ligne d'alimentation au premier eeémen, rayonnant. Sur la base de cette s:ructure d'antenne imprimée à mono-polarisation et avec un fonctionnement mono-bande, l'invention améliore celle-ci par le fait qu'une antenne selon l'invention comprend en outre une deuxième ligne d'alimen-ation hyperfréquence constituée par un deuxième micrsruban disposé sur la face externe de ia première couche perpendiculairement au premier microrubar. e- par ledit plan conducteur de masse, une troisième couche diélectrique ayant une face disposée contre le premier élément rayonnant, et un deuxième élément C rayonnant disposé sur une autre face de la troisième couche et comportant plusieurs deuxièmes bandes étroites conductrices croisant perpendiculairement par superposition les premières bandes conductrices 61 et s'étendant perpendiculairement à une deuxième fente de couplage ménagée dans le plan conducteur de masse pour coupler la deuxième ligne d'alimentation au deuxième élément rayonnant. Grâce au deuxième élément rayonnant, l'antenne selon l'invention fonctionne à deux fréquences différentes avec deux polarisations respectives orthogonales. Par exemple le premier élément rayonne dans la bande de fréquence du réseau de radiotéléphonie DCS 1800 et le deuxième élément dans la bande de fréquence du réseau de radiotéléphonie GSM. L'antenne selon l'invention conserve les 4 2801139 performances en bande passante de l'antenne connue selon le EP-B-484241 et la pureté en polarisation grace au concept de grille formée par les premières bandes et les deuxièmes bandes pour constituer les premier et deuxième éléments rayonnants. La disposition perpendiculaire des premières bandes par rapport aux deuxièmes bandes évite toute perturbation du champ radioélectrique polarisé émis par le premier élément relativement au champ radioélectrique polarisé émis par le deuxième élément. En outre, l'antenne imprimée selon l'invention est compacte puisque les deux lignes d'alimentation ont un plan conducteur de masse commun incluant les deux fentes de couplage et des microrubans disposés sur une même face de la première couche diélectrique, et les bandes des éléments rayonnants se croisent par superposition. L'invention concerne également un réseau d'antennes comprenant plusieurs premières antennes dont les premières bandes plus courtes sont parallèles entre elles et dont les deuxièmes bandes sont également parallèles entre elles. Pour que ce réseau d'antennes présente des polarisations croisées dans chacune des deux bandes de fréquence, il doit comprendre plusieurs deuxièmes antennes dont les premières bandes plus courtes et les deuxièmes bandes s'étendent coplanairement et respectivement perpendiculairement aux premières bandes et aux deuxièmes bandes des premières antennes. Les premières antennes sont réparties suivant des colonnes qui sont entrelacées deux à deux avec des colonnes dans lesquelles sont réparties les deuxièmes antennes. D'au.Ces caractéristiques et aveanr jes e a présente invention apparaîtront plus claremenr a lecture de la description suivanze Se pl s'eus réalisations préférées de l'inventior. en réfêren.:e aux dessins annexés correspondants dans lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus d'une antenne imprimée élémentaire bi-bande selon:e réalisacion préférée de l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe de l'aneenne bi-bande prise suivant la ligne brisée I-II dans -a figure; - la figure 3 est une vue de dessus a -es niveaux de lignes d'alimentation et d'un plan ce masse avec fentes de couplage dans!'an:enne bi-ban-e des figures 1 et 2; la figure 4 est une vue de dessus d'un prem:er élément rayonnant de taille réduite, associé àa une bande de fréquence supérieure, inclus dans l'anter.nne bi-bande des figures 1 et 2; - la figure 5 est une vue de dessus d'un deuxième élément rayonnant de taille plus grande, associé à une bande de fréquence inférieure, inclus dans l'antenne bi-bande des figures 1 et 2; - la figure 6 est une vue en perspective schématique d'un réseau monodimensionnel à deux colonnes d'antennes imprimées élémentaires selon l'invention pour champs rayonnés croisés dans chacune de deux bandes de fréquence; et - la figure 7 est une vue en perspective schématique d'un réseau bidimensionnel avec des antennes imprimées élémentaires selon l'invention. La description ci-après d'une antenne imprimée élémentaire bi-bande selon une réalisation préférée 6 2801139 -ie l'invention illustrée sensiblement a l'éche!e 1 aux figures 1 à 5 indique à tigre J'exemple es va'eurs numériques pour une antenne destinée à fonctionner dans une première bande de fréquence B, dite bande supérieure, comprise entre 1710 MHz et 1880 MHz correspondant à des communications radiotéléphoniques selon la norme DCS-1800, et dans une deuxième bande B2, dite bande inférieure, comprise entre 890 MHz et 963 MHz pour des communications radiotéléphoniques selon la norme GSM. Comme montré à la figure 2, l'antenne bl-bande comprend trois couches diélectriques superposées: une première couche 1 en Duroid ayant une permittivité diélectrique relative gr, = 2,2 et une épaisseur e1 = 1,5 mm, une deuxième couche en mousse diélectrique 2 ayant une permittivité diélectrique relative Er2 = 1,05 et une épaisseur e2 = 15 mm, et une troisième couche en mousse diélectrique ayant une permittivité diélectrique relative gr3 = 1,05 et une épaisseur e3 = 20 mm. L'antenne présente quatre niveaux de conducteurs électriques N_1 à N2 séparés par les trois couches diélectriques et montrés en superposition à la figure 1. Le niveau N_1 sur la face inférieure de l'antenne, c'est-à-dire sur la face externe de la première couche diélectrique 1, comporte deux microrubans perpendiculaires 41 et 42 pour des lignes d'alimentation hyperfréquence respectivement dans les bandes de fréquence B1 (bande supérieure) et B2 (bande inférieure). Les microrubans 41 et 42 peuvent s'étendre jusqu'au niveau d'un point de "croisement" O des axes longitudinaux perpendi- culaires A1Al et A2A2 de symétrie des éléments rayonnants 71 et 72. Comme montré à la figure 3, le niveau No compris entre les première et deuxième couches diélectriques 1 et 2 comporte un plan conducteur de masse 5 dans lequel sont ménagées Ae oremitre fente de couplage 6! s'eéendat perpendiculairement au premier microruban 41 et symétriquement par rapport à celui-ci et une deuxieme fente de couplage 62 s'étendant perpendiculaÄrement au deuxième microruban 42 et symétriquement car rapport à celui-ci. La première fente 6t a une longueur de 28,7 mm et est plus courte que la deuxième fente 62 qui a une longueur de 59 mr,. les microrubans 41 et 42 s'étendent respectivement au- delà des fentes de couplage 6i et 62 sensiblement sur moins du quart des longueurs d'onde respectives. ie troisième niveau N1 montré également à la figure 4 comporte un premier élément rayonnant strié composé de cinq bandes étroites métalliques parallèles ' s'étendant perpendiculairement à et au-dessus de _La première fente 61 à laquelle elles sont couplées, sans recouvrir la deuxième fente 62, et équiréparties symétriquement par rapport un plan de symétrie axial AIA1 longitudinal au premier microruban 41. Le quatrième niveau N2 montré également à la figure 5 comporte un deuxième élément rayonnant strié composé de quatre bandes étroites métalliques parallèles '72 s'étendant perpendi-culairement à et au-dessus de la deuxième fente 62 à laquelle elles sont couplées, en croisant par dessus les bandes 7, et équiréparties symétriquement par rapport à un plan de symétrie axial A2A2 longitudinal au deuxième microruban 42. Ainsi, les deuxièmes bandes 72 sont perpendiculaires aux premières bandes 71. Une quatrième couche diélectrique mince 8 recouvre les bandes métalliques 71 sur la troisième couche diélectrique 3 afin de servir de couverture de protection de l'antenne. 8 2801139 L'antenne imprimée selon 'L invention réunit ainsî d'une manière compacte jeux sous-antennes fonctionnant respectivement dans les bandes de fréquence B1 et B2. L'antenne imprimée s'étend typiquement sur une longueur maximale de 130 mm suivant l'axe longitudinal des bandes métalliques 72 et sur une largeur maximale de 80 mm suivant l'axe longitudinal des bandes métalliques 71. La première sous-antenne est constituée par la ligne d'alimentation à microruban 41 adaptée à 50 Q, la fente de couplage 61 et les bandes métalliques j'élément rayonnant 71. Cette première sous-antenne fonctionne dans la bande de fréquence supérieure B1 et avec une polarisation de champ électrique rayonné :5 par la première sous-antenne parallèle aux bandes métalliques 71, c'est-à-dire parfaitement perpendi- culaire à la fente de couplage 61. Typiquement, les cinq bandes 71 sont inscrites dans un rectangle de 58 mm de longueur et de 50 mm de largeur espacées deux à deux de 0,75 mm. La deuxième sous-antenne imprimée est constituée par la ligne d'alimentation à microruban 42 adaptée à Q. la fente 62 et les bandes métalliques d'élément rayonnant 72. La deuxième sous-antenne fonctionne dans la bande inférieure B2 et avec une polarisation de champ électrique parallèle aux bandes métalliques 72, c'est-à-dire perpendiculaire à la fente de couplage 62, et donc parfaitement perpendiculaire au champ électrique polarisé produit par la première sous-antenne. Ainsi, le champ radioélectrique dans la deuxième bande B2 produit par la deuxième sousantenne est parfaitement orthogonal au champ radioélectrique dans la bande B1 produit par la première sous-antenne, ce qui évite toute perturbation mutuelle des champs radioélectriques 9 2801139 d'une bande à l'autre. Les bandes métalliques '7 je la deux -me sousantenne sont espacees i' arne épaisseur e2 + e3 par rapport au plan conducteur de masse 5 supérieur à l'épaisseur e2 séparant 'es bandes métalliques 71 de la première sous-antenne par rapport au plan conducteur de masse 5, puisque la deuxième sous-antenne rayonne dans une bande de fréquence B2 inférieure à la bande de fréquence Bi de la première sousantenne. De même, les dimensions de fente de couplage étant sensiblement inversement proportionnelles à la fréquence centrale de la bande de fréquence, les dimensions de la première fente de couplage 6i sont respectivement plus petites que les dimensions de la deuxième fente de couplage 62. Typiquement, chaque bande B2 a une longueur de 114 mm et une largeur de 10 mm et est distante de 2 mm d'une autre bande. En pratique, les microrubans, plan de masse et bandes métalliques dans les niveaux N_. à Nú sont gravés sur les faces des couches diélectriques respectives. En particulier, chacune des fentes de couplage 61 et 62 a une forme en U respectivement symétrique aux axes longitudinaux des microrubans 41 et 42 et présentent ainsi chacune deux branches latérales 61, 612 parallèles aux bandes conductrices de l'élément rayonnant respectif 71, 72 et ayant des longueurs respectives de 9 mm et 18,2 mm, comme montré à la figure 3. Ceci contribue à réduire l'encombrement de l'élément rayonnant à bandes 71, 72, et à limiter le rayonnement de celuici vers le plan de masse 5 tout en garantissant une bande de fréquence B1, B2 relativement large. Les bandes 71 ne recouvrent pas la deuxième fente 62 sous peine de courtcircuiter le deuxième 2801139 élément rayonnant fonctionnant dans la bande de fréquence Inférieure B2. Les bandes 72 ne recouvrent pas totalement les bandes striées 7., en particulier leurs extrémités longitudinales, sous peine de court- circuiter le premier élément rayonnant fonctionnant dans la bande supérieure B;. Ceci impose une contrainte très forte sur la largeur des bandes 72 qui normalement est imposée par la taille de la fente Je couplage 62. Cette taille est de l'ordre de la demi-longueur d'onde. Afin que la longueur des fentes soit la plus faible possible, les fentes de couplage sont coudées. Les deux bandes conductrices les plus éloignées dans le deuxième élément rayonnant 72 sont doublées le long d'une partie de leur longueur ne recouvrant par les bandes 7., par deux bandes conductrices supplémentaires latérales 8 respectivement superposées aux branches latérales 612 de la deuxième fente de couplage 62. Cette disposition de bandes latérales 8 contribue également à élargir la bande de fréquence B2 et à assurer un couplage correct entre la ligne 42 et l'élément rayonnant 72 pour la bande de fréquence B2. Des mesures ont montré que l'antenne imprimée selon l'invention décrite ci-dessus offrait un taux d'onde stationnaire inférieur à 1,5 sur plus de 10% de largeur de bande dans chacune des deux bandes B1 et B2, un découplage entre les champs polarisés rayonnes dans les deux bandes de l'ordre d'au moins - 30 dB grâce particulièrement au filtrage spatiale introduit par les deux grilles de polarisation formées par les bandes métalliques 71 et 72, et des diagrammes de rayonnement quasiment symétriques dans les plans principaux respectivement perpendiculaires aux plans des grilles à bandes métalliques 7 et 72 et passant par leurs axes de symétrie AA. el A-A7. Les performances radioélectriques de 'l'anenne imprimée élémentaire décrite ci-dessus sont conservées lorsque plusieurs antennes imprimées élémentaires selon l'invention sont juxtaposées pour former un réseau à double polarisation pour chacune des bandes de fréquence de fonctionnement B1 et B2. Les lignes d'alimentation, telles que les lignes 41 et 42, sont avantageusement disposées, à!'oppose des éléments rayonnants constitués par les grilles à bandes métalliques 71 et 72 par rapport au plan de masse 5 pour éviter tout rayonnement parasite mutuel entre des signaux transmis dans les bandes B- et B2. Selon un premier exemple, un réseau d'an;enne comprend une colonne C1 de premières antennes imprimées élémentaires orientées de la même façon et une colonne C2 de deuxièmes antennes élémentaires orientées de la même façon et perpendiculairement à l'orientation des premières antennes, ou plus généralement des colonnes C1 et C2 alternées dont les niveaux de gravure N.1 à N2 sont communs, comme montré à la figure 2. Dans la première colonne C-, les premières bandes 71 des premières antennes sont disposées verticalement de manière à rayonner un champ électrique polarisé verticalement et sont ainsi alimentées par une ligne d'alimentation commune à microruban 4V1, et les deuxièmes bandes 72 des premières antennes sont disposées horizontalement de manière à rayonner un champ électrique polarisé horizontalement et sont alimentées par une ligne d'alimentation commune à microruban 4H1. D'une manière symétrique, dans la deuxième colonne C2, les premières bandes 71 des deuxièmes antennes sont disposées horizontalement et sont alimentées par une ligne d'alimentation commune à microruban 4H2 afin de rayonner un champ électrique polarisé horizontaemenr. et donc croisé perpendiculairement avec le champ électrique rayonné par les bandes 71 dans la première colonne C, pour un fonctionnement dans la première bande de fréquence commune B1; également dans La deuxième colonne C2, les deuxièmes bandes 72 des deuxièmes antennes sont disposées perpendiculaireme.-- aux deuxièmes bandes 72 incluses dans la première colonne C, de manière à rayonner un champ électrique polarisé verticalement croisé perpendiculairement avec le champ électrique rayonné par les bandes -2 dans la première colonne Cl pour un fonctionnement dans la deuxième bande de fréquence commune B2, les bandes 72 dans la colonne C2 étant alimentées par ure ligne d'alimentation commune à microruban 4V2. Chaque ligne d'alimentation à microruban alimentant les antennes élémentaires respectives est arborescente e: constitue en chaque noeud un répartiteur de puissance. Ce premier type de réseau montré à la figure 6 peut constituer par exemple une antenne pour une station de base à bipolarisation et bi-bande à La fois pour les réseaux de radiotéléphonie GSM et DCS. En fonction de l'orientation de l'antenne, celle-c- présente des diagrammes directifs en élévation e: larges en azimut pour deux polarisations orthogonales respectivement horizontale et verticale, ou bien à - 45 et +45 par rapport à l'horizontal. Comme montré à la figure 7, un réseau d'antennes à double polarisation et à deux bandes de fréquence peut comprendre plusieurs colonnes parallèles C1 e: C2 alternées sur un plan. Un tel réseau bidimensionnel d'antennes peut constituer par exemple 1 3 2801139 une antenne pour une station de réception au sol dans un systeme de radiocommunication cellulare à constellation de satellites géostationnaires ou non- géostationnaires. Bienr que l'invention ait éte décrite en référence a des lignes d'alimentation à microruban (microstrip), l'homme du métier sera les remplacer par des lignes triplaques (strip--line) ou des 'ignes coaxiales. Pour une ligne triplaque, une couche diélectrique supplémentaire est prévue contre la face inférieure de la première couche diélectrique 1, sous le niveau de gravure Ni, en référence à la figure 2, et un plan conducteur de masse réflecteur est imprimé sur la face inférieure de la couche diélectrique supplémentaire. REVENDICATZ.M,' - Antenne imprimée,o roren.an ur;e -mi ' -'ucre L; é'ectrique (1,,e " e uxi me -.-ne iélaecrrlicre [2), une première line d'a' imern atir. hy;perfréquence ayant un pre-ler m crorubar. lsoosé spur une face externe ce ia crem ère couche e- un elan conduicteur de masse 5 ispose entre _ première et deuxième couches, et un oremier éé=men- rayonnant disposé sur une autre face de la deuxiee soucne e comportant plusieurs oremières banres étroites conductrices (7i) s'éeendant perpenh- culairement à une première fente Je coupiage ó ménagee dans ie plan conducceur pour coupler premiere ligne d'alimentation a' premier é1é men- ravyonnant, caractérisée en ce qu'eile comprend _-e deuxième ligne d'alimentacior. hyperfré,que-..e constituée par un deuxième mtcroruban 42/ dispcsé sur la face externe de la première couche perpendiculairement au premier microruban (41) et par ledit plan conducteur de masse (5}, une troiseème couche diélectrique (3) ayan- une face dispos-e contre le premier élément rayonnant (7-), et un deuxième élément rayonnant disposé sur une autre face de la troisième couche et comportant plusieurs deuxièmes bandes étroites conductrices (72) croisan: perpendiculairement par superposition les premières bandes conductrices (61) et s'eéendant perpendi- culairement à une deuxième fente de couplage (6E- ménagée dans le plan conducteur de masse (5) pcur coupler la deuxième ligne d'alimentation au deuxième élément rayonnant. 2 - Antenne conforme à la revendication, caractérisée en ce que le deuxième élément rayonnant 2801139 (72) rayonne dans une deuxième bande de fréquence inférieure à une première bande de fréquence dans laquelle le premier élément rayonnant (71) rayonne, et les dimensions de la première fente de couplage (61) sont respectivement plus petites que les dimensions de la deuxième fente de couplage (62). 3 - Antenne conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'au moins l'une des fentes de couplage (61, 62) a une forme en U présentant des branches latérales (611, 612) parallèles aux bandes conductrices de l'élément rayonnant respectif (71, 72)' 4 - Antenne conforme à la revendication 3, caractérisée en ce que les deux bandes (72) les plus éloignées dans le deuxième élément rayonnant présentent des bandes latérales (8) respectivement superposées aux branches latérales (612) de la deuxième fente de couplage (62). - Réseau d'antennes comprenant plusieurs premières antennes (C1) qui sont conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 4 et dont les premières bandes plus courtes (71) sont parallèles entre elles et dont les deuxièmes bandes (72) sont également parallèles entre elles. 6 - Réseau d'antennes conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs deuxièmes antennes (C2) qui sont conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 4 et dont les premières bandes plus courtes (71) et les deuxièmes bandes (72) s'étendent coplanairement et respectivement perpendiculairement aux premières /:f C 2801139 bandes (71) et aux deuxièmes bandes (72) des premières antennes (C1). 7 - Réseau d'antennes conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que les premières antennes sont réparties suivant des colonnes (C1) qui sont entrelacées deux à deux avec des colonnes (C2) dans lesquelles sont réparties les deuxièmes antennes.