Brevet FR2895574A1 — publié le 20070629

REFLECTEUR BIPOLARISATION CONFIGURABLE La présente invention concerne un réflecteur bipolarisation configurable. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la téléphonie mobile dans les bandes GSM ( Global System for Mobile Communication ), DCS ( Digital Cellular System ), UMTS ( Universal Mobile Telecommunication System ), ainsi que dans celui de la diffusion de services haut-débit de type WLAN ( Wireless Local Area Network ), WIFI, LMDS ( Local Multi-point Distribution System ) et même UWB ( Ultra Wide Band ). io On appelle ici configurabilité d'un réflecteur la possibilité d'en modifier à volonté la couverture spatiale en ajustant la configuration du rayonnement émis ou reçu en une ou plusieurs zones de direction et de largeur données en commandant sélectivement les propriétés de réflectivité du réflecteur. Avec ce type de réflecteur, il est possible notamment de définir des antennes mono ou 15 multi-faisceaux configurables. On comprend alors que, compte tenu de la multiplication des systèmes de téléphonie mobile et de diffusion de services haut-débit, les possibilités de configurabilité des réflecteurs peuvent avoir un impact sur le nombre d'antennes sur un même site. En effet, en fonction de la couverture souhaitée, 20 l'antenne peut être configurée pour obtenir un rayonnement dans une cellule de taille plus ou moins importante ou pour illuminer plusieurs cellules dans des secteurs angulaires différents. La/les couvertures peuvent ainsi être modifiées sans changer l'antenne ou son positionnement. Le fonctionnement de l'antenne, associée à un réflecteur configurable, peut être du type large 25 bande ou multi-bandes. Dans des zones peu perturbées, en particulier en milieu rural, seule la composante verticale du rayonnement électromagnétique n'est prise en compte par les réflecteurs et antennes associées, la composante horizontale ne présentant pas d'intérêt particulier. Cependant, dans les zones urbaines où le rayonnement électromagnétique est susceptible de subir de nombreuses perturbations, comme des réflexions parasites, il y a avantage à pouvoir traiter simultanément les polarisations verticale et horizontale de manière à être en mesure de récupérer des deux signaux celui dont la puissance est la plus grande. La prise en compte des deux polarisations orthogonales dans les io problèmes de réflexion a été traitée pour les Surfaces Sélectives en Fréquence, appelées aussi SSF, par la réalisation de réseaux de dipôles en croix permettant d'obtenir un même coefficient de réflexion dans les deux directions de polarisation (V.A. Agrawal, W.A. Imbriale, Design of a Dichroic Cassegrain Subreflector , IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 15 AP-27, No. 4, pp. 466-473, Juillet 1979). Dans ces applications de SSF, les propriétés géométriques du réseau, telles que la périodicité et la forme géométrique du motif, génèrent des résonances où le champ électromagnétique est réfléchi ou transmis, la surface considérée est alors réflectrice ou transparente. Ces SSF servent principalement dans les 20 applications mettant en oeuvre des antennes à réflecteurs multi-bandes car, en fonction des bandes de fréquences, ces SSF permettent d'avoir un seul réflecteur principal associé à plusieurs sources qui ne sont pas placées au même endroit mais qui, grâce à différents sous-réflecteurs du type SSF, permettent de renvoyer le champ électromagnétique sur le réflecteur principal 25 tout en étant transparent en dehors de sa bande de fonctionnement. Il n'y a donc pas de phénomène d'aveuglement si le rayonnement dans une bande de fréquence intercepte un sous-réflecteur d'une autre bande fréquentielle. Toutefois, s'ils sont capables de prendre en compte les deux types de polarisation, ces réflecteurs ne sont pas configurables au sens où ils ne 30 présentent pas une réflectivité identique pour les deux polarisations dans une même zone. De manière à obtenir un réflecteur configurable sur SSF, l'article de J.A. Bossard, D.H. Werner, T.S. Mayer, R.P. Drupp, A Novel Design Technology for Reconfigurable Frequency Selective Surface using Genetic Algorithms , IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. AP-53, No. 4, pp 1390-1399, Avril 2005, propose d'introduire des éléments commutables entre chaque extrémité des croix de manière à réaliser un réseau de deux ensembles sécants à 90 de lignes composites parallèles comprenant des rubans conducteurs discontinus séparés par un composant dont la conductivité peut être commutée par application d'un signal de commutation, tel qu'une tension continue dans le cas de composants commutables constitués par des diodes PIN. Ainsi, en imposant aux segments de lignes io entre deux points d'intersection consécutifs du réseau un état de conduction donné, il est possible de définir des brins de plusieurs segments verticaux et horizontaux ayant une réflectivité donnée. Il en résulte une variation de la taille du motif de base du réseau qui permet d'ajuster la fréquence de résonance de la SSF à l'utilisation, sans être obligé de changer de SSF. Pour 15 modifier les caractéristiques géométriques, il suffit de commuter de manière appropriée une partie seulement des composants. Cependant, l'article précité ne fournit aucune information quant aux moyens à mettre en oeuvre de façon pratique pour appliquer le signal de commutation aux composants, sauf à appliquer un signal individuellement à 20 chaque composant, ce qui conduirait à la réalisation de connexions extrêmement complexes voire incompatibles avec la contrainte d'assurer au réflecteur une transmission maximale. D'autre part, ces applications SSF connues, sans et avec configurablité du motif de base, s'appuient sur la forme du motif et la périodicité du réseau 25 pour réfléchir ou transmettre l'onde électromagnétique sur des bandes de fréquences étroites puisque leur fonctionnement repose sur la résonance ou non du réseau. L'invention a notamment pour but de proposer un réflecteur bipolarisation configurable, comprenant un premier et un deuxième ensembles 30 sécants de lignes composites parallèles, un segment de ligne entre deux points d'intersection consécutifs des deux ensembles contenant un composant de conductivité commutable au moyen d'un signal de commutation, qui permettrait de commuter très simplement les composants de conductivité commutable de manière à obtenir toute configuration de réflecteur voulue dans une large bande de fréquence et en garantissant la meilleure transmission possible. Ce but est atteint avec un réflecteur selon l'invention dans lequel lesdits composants sont disposés sur les segments de lignes pour qu'au moins un signal de commutation appliqué en un point d'intersection desdits ensembles commute la conductivité des composants d'un groupe de segments définissant une zone de réflecteur de réflectivité donnée. Ainsi, en appliquant un signal de commutation unique, il est possible io d'imposer aux composants des segments d'un même groupe une conductivité donnée et donc un état de réflectivité donné à la zone de réflecteur correspondante. De préférence, l'invention prévoit que ledit point d'application dudit signal de commutation est situé sur une ligne extérieure audit ensemble. 15 Selon un mode de réalisation particulier du réflecteur conforme à l'invention, lesdits composants de conductivité commutable étant des composants de conductivité unidirectionnelle, les composants de conductivité unidirectionnelle disposés le long des lignes du premier ensemble présentent une direction de conductivité alternée, et les composants de conductivité 20 unidirectionnelle des lignes du deuxième ensemble présentent une même direction de conductivité. Si les polarisations concernées sont les polarisations verticale et horizontale d'un même rayonnement électromagnétique, il est prévu par l'invention que les deux ensembles de lignes composites sont sécants à 90 25 et que la longueur des segments des lignes du premier ensemble est égale à la longueur des segments des lignes du deuxième ensemble. Par contre, si les polarisations considérées sont une polarisation d'un premier rayonnement électromagnétique et une polarisation différente d'un second rayonnement électromagnétique, alors, selon un mode de réalisation 30 avantageux de l'invention, la longueur des segments des lignes du premier ensemble est différente de la longueur des segments des lignes du deuxième ensemble, ceci dans le rapport des longueurs d'onde des rayonnements électromagnétiques. On peut ainsi limiter le nombre de lignes correspondant au rayonnement dont la longueur d'onde est la plus grande. De façon pratique, lesdits ensembles de lignes sont déposés sur un support, comme un support en matériau diélectrique souple, facilement cintrable. Cette forme de réalisation permet de s'affranchir de la sélectivité liée à l'utilisation de SSF et étend le champ d'application du réflecteur, objet de l'invention, à des bandes de fréquence élargies. Des éléments réflecteurs constitués de lignes composites formées par des rubans conducteurs séparés par des composants de conductivité io commutable ont été développés par l'Institut d'Electronique Fondamentale de l'Université de Paris Sud-Orsay ( A. de Lustrac, T. Brillat, F. Gadot, E. Akmansoy, Numerical and Experimental Demonstration of an Electronically Controllable PBG in the Frequency range 0 to 20 GHz , Actes du Congrès Antennas and Propagation 2000, 9-14 Avril 2000, Davos, Switzerland) dans le 15 but de créer un méta-matériau multi-polarisations basé sur le principe des Bandes Interdites Electromagnétiques (BIE). La répartition spatiale des éléments selon un réseau bi-périodique suivant deux directions crée l'équivalent d'un cristal. L'effet de ce pseudo-cristal sur la propagation des ondes électromagnétiques est modifié par la présence de défauts placés à 20 l'intérieur, ce qui permet d'obtenir pour certaines bandes de fréquence une transmission au travers du cristal pour les deux polarisations alors que, s'il avait été parfait, il aurait réfléchi l'ensemble des fréquences. Ces deux comportements complémentaires, réflecteur quand les composants commutables sont conducteurs et transparent lorsqu'ils ne le sont pas, sont 25 obtenus dans la première bande d'énergie interdite électromagnétique. Lorsque la fréquence augmente, ces deux comportements peuvent s'inverser par rapport à la commutation des composants en fonction de l'apparition des différentes bandes interdites qui dépendent des caractéristiques géométriques du réseau : longueurs des segments selon chaque direction, 30 répartition spatiale, impédances équivalentes des composants commutés ou non. Enfin, le caractère souple et cintrable du support offre la possibilité d'intégrer le réflecteur conforme à l'invention à un grand nombre d'antennes. En particulier, l'invention concerne une antenne remarquable en ce qu'elle comporte une pluralité de réflecteurs cylindriques concentriques. Les antennes concernées sont notamment les antennes dites biconiques. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure la représente un élément d'une ligne composite à l'état réflecteur utilisée pour réaliser un réflecteur conforme à l'invention. La figure 1 b représente l'élément de ligne de la figure la à l'état io transparent. La figure 2 est une vue de face d'un réflecteur bipolarisation configurable conforme à l'invention. La figure 3 montre un exemple de configuration de réflectivité obtenue avec le réflecteur de la figure 3. 15 La figure 4 est une vue en coupe d'une antenne biconique comprenant une pluralité de réflecteurs conformes à l'invention. La figure 5a est une vue de dessus de la répartition des réflecteurs de l'antenne de la figure 4. La figure 5b représente la répartition de la figure 5a dans une 20 configuration de polarisation mono-faisceau des réflecteurs. La figure 5c représente la répartition de la figure 5a dans une configuration de polarisation multi-faisceaux des réflecteurs. Sur les figures la et lb est représenté un élément 10 d'une ligne composite servant de base à la réalisation du réflecteur bipolarisation 25 configurable conforme à l'invention. Cet élément 10 est constitué d'un ruban 11 discontinu, sensiblement rectiligne, réalisé en un matériau conducteur, notamment métallique. Entre deux sections consécutives de ruban est inséré un composant 12 dont la conductivité électrique est commutable au moyen d'un signal de commutation. 30 Dans l'exemple des figures la et lb, lesdits composants 12 sont des diodes PIN dont l'état de conduction peut être commuté par un signal constitué par une tension de courant continu. Bien entendu, d'autres composants pourraient être utilisés, comme des transistors convenablement polarisés. Sur la figure la, une tension continue est appliquée aux bornes des l'élément 10 de ligne. Du fait de leur très faible résistance, les diodes 12 sont portées à l'état conducteur, de sorte que du point de vue électrique, l'élément 10 se comporte comme un ruban conducteur unique, référencé 10' sur la figure la. En conséquence, l'élément 10' est réflecteur vis à vis des ondes électromagnétiques. A l'inverse, sur la figure 1 b, les diodes 12 ne sont pas polarisées et présentent donc une impédance élevée. Il n'y a pas de connexion électrique entre les sections du ruban 11, et l'élément 10" équivalent est transparent du io point de vue électromagnétique. De manière pratique, il est préférable pour limiter les perturbations que la longueur d'une section de ruban soit inférieure au cinquième de la plus petite longueur d'onde utilisée. On peut donc très simplement, en commutant la tension de polarisation appliquée aux diodes, modifier la réflectivité aux ondes électromagnétiques d'une ligne composite 15 constituée d'éléments analogues à l'élément 10 des figures la et 1 b. Il faut toutefois souligner que seule la polarisation parallèle au ruban 11 est sensible la présence de l'élément 10 et de l'état de conduction des diodes 12. La polarisation perpendiculaire au ruban 11 n'est pas affectée car la largeur du ruban est très inférieure à la longueur d'onde du rayonnement 20 électromagnétique utilisée dans les applications envisagées. Aussi, pour obtenir une réflectivité configurable pour l'ensemble des deux polarisations, il est proposé la structure de réflecteur de la figure 2. Comme l'indique la figure 2, cette structure comprend deux ensembles sécants de lignes composites parallèles, à savoir, d'une part, des lignes dites 25 horizontales notées génériquement LH;, et, d'autre part, des lignes dites verticales notées génériquement LV;. Chaque ligne horizontale ou verticale est réalisée, comme l'élément 10 des figures la et 1 b, par un ruban conducteur discontinu dont les sections sont reliées par des diodes PIN ou, plus généralement, par des composants 12 à conductivité commutable. 30 Chaque segment de ligne compris entre deux points d'intersection consécutifs, comme les points d'intersection I;;, I;,,;+1 et I;_1,j+1 sur la figure 2, contient un composant commutable 12. Dans l'exemple de la figure 2, les diodes commutables 12 sont disposées sur chaque ligne horizontale LH; de sorte à présenter une direction de conductivité alternée d'un segment à l'autre. Par contre, sur chaque ligne verticale LV;, les diodes 12 présentent une même direction de conductivité. Cette structure de réflecteur permet de définir des groupes de segments de lignes constitués en zones Z de réflectivité donnée, ou zones de base, quand une tension V de commutation est appliquée en un point choisi parmi des points d'intersection alternés sur la ligne horizontale extérieure LH1, tels que les points P1k, P1k' et P1kä de la figure 2, la masse étant prise en des io points Pk-1,N, Pk+1,N d'intersection de la ligne horizontale extérieure LHN, opposée à la ligne LH1, avec des lignes verticales alternées par rapport aux lignes verticales portant les points d'application de la tension V de commutation. Ainsi, la zone Z composite de base est formée de trois brins 15 discontinus verticaux et segments horizontaux reliant les brins horizontaux par des diodes PIN. Le montage tête-bêche des diodes sur les brins horizontaux par rapport à l'axe de symétrie vertical de la zone de base permet de modifier uniquement l'état de réflectivité de la zone de base sans modifier celui des zones adjacentes puisque les diodes horizontales les reliant sont polarisées 20 en inverse. L'alimentation de cet élément de base se fait en quinconce : -le brin vertical à l'extrémité duquel est appliquée la tension V de commutation n'est pas connecté à la masse à son autre extrémité afin de forcer la polarisation des diodes horizontales en fermant le circuit sur les autres brins verticaux adjacents, 25 - l'alimentation du brin vertical central polarise automatiquement les brins verticaux adjacents et l'ensemble des segments horizontaux qui leurs sont connectés. Il convient de remarquer que la forme et/ou la dimension de la zone Z de base peuvent être choisies à volonté. Il suffit pour cela de placer les 30 composants 12 sur les segments dans une direction de conductivité appropriée, de manière à obtenir un groupe de segments présentant une même conductivité lorsqu'ils sont soumis à un même signal de commutation. Le principe de fonctionnement est alors le suivant : - l'application d'une tension de commutation continue court-circuite les diodes dont la direction de conductivité est le sens passant et permet ainsi d'obtenir un seul brin continu de longueur plus importante qui, pour la polarisation parallèle au brin, est réflecteur d'un point de vue électromagnétique, conformément au schéma de la figure 1 a. Dans le cas du réflecteur de la figure 2, la polarisation des diodes court-circuite les lignes verticales et horizontales en même temps, ce qui permet de réfléchir le champ suivant les deux polarisations horizontale et verticale, - si les diodes ne sont pas polarisées, elles possèdent une impédance très io élevée. Les segments entre points d'intersection sont en circuit ouvert, et si, par ailleurs, leur longueur élémentaire est bien choisie, la zone Z de base correspondante reste transparente pour les ondes électromagnétiques. Comme mentionné plus haut, cette longueur élémentaire est, de préférence, inférieure au cinquième de la plus petite longueur d'onde, afin de minimiser 15 les perturbations. La figure 3 montre un exemple de configuration de réflectivité obtenue avec le réflecteur de la figure 2. Sur la partie gauche du réflecteur, on distingue deux zones de base adjacentes simultanément réflectrices pour des polarisations horizontales et verticales du fait de l'application de la tension V 20 de commutation aux points P,k'' et P,k'. Ces deux zones réflectrices sont adjacentes à deux zones de base transparentes aux deux polarisations, aucune tension de commutation n'étant appliquée à ces zones. Puis, une nouvelle zone de base est rendue réflectrice par application d'une tension V de commutation au point P,k. Et ainsi de suite. 25 Sur les figures 2 et 3, les segments présentent la même longueur dans les deux directions horizontale et verticale. Cette structure est bien adaptée pour traiter simultanément les polarisations horizontale et verticale d'un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde donnée. S'il s'agit maintenant de traiter la polarisation horizontale d'un premier 30 rayonnement électromagnétique et le polarisation verticale d'un deuxième rayonnement électromagnétique, il peut y avoir avantage à donner aux segments des longueurs différentes. Par exemple, pour des rayonnements respectifs à 1 GHz (GSM) et à 2 GHz (UMTS), il est possible de donner aux i0 segments une longueur double dans le sens de la polarisation du rayonnement à 1 GHz, ce qui se traduit par un nombre moitié des lignes composites correspondantes. Le réflecteur conforme à l'invention peut être réalisé en imprimant des rubans métalliques sur un support diélectrique plan ou conformé, les diodes étant soudées à l'extrémité des rubans. Il peut également être réalisé sur un support rigide de forme quelconque, notamment un support cylindrique en mousse usiné selon le réseau de lignes recherché et sur lequel est effectué un dépôt de cuivre. io On obtient ainsi un matériau configurable pouvant être utilisé pour réaliser soit des réflecteurs, soit des fenêtres électromagnétiques transparentes, ceci en fonction de l'application recherchée. Ce matériau réflecteur ou transparent dans une même zone pour les deux polarisations de rayonnement peut être associée à une antenne pour : 15 - piloter le rayonnement en fonction des zones de couverture où l'antenne doit être transparente ou réflectrice, - l'utiliser comme fenêtre électromagnétique lorsque toute la couche de matériau est transparente ou réflectrice afin de masquer l'antenne lorsqu'elle n'émet pas. 20 La structure de réflecteur bipolarisation configurable sur support souple permet de réaliser très facilement des réflecteurs cylindriques. En effet, comme les deux polarisations sont pilotées par un seul accès parallèle à l'axe du cylindre, il suffit de refermer sur lui-même le support plan pour obtenir une structure cylindrique et de connecter les lignes horizontales de façon 25 adéquate pour piloter la/les zones de base sur 360 sans aucun raccord. Une application de l'invention concerne plus particulièrement la réalisation d'une antenne mono-multifaisceaux configurable en associant des réflecteurs bipolarisation configurables cylindriques régulièrement répartis sur des cercles concentriques au centre desquels on place une source 30 électromagnétique omni-directionnelle bipolarisation. La figure 4 montre à titre d'exemple une antenne biconique comprenant quatre réflecteurs cylindriques R1 à R4. 2895574 Il Comme le montre la figure 5a, la répartition angulaire des lignes verticales est variable en fonction du rayon du cercle de positionnement afin d'obtenir un pas constant b suivant le périmètre et le nombre approprié de lignes pour refermer le réseau sur lui même. 5 En fonction des lignes polarisées ou non, on peut obtenir la répartition de champ souhaitée pour les deux polarisations simultanément : -monofaisceau de largeur variable, comme sur la figure 5b, -multi-faisceaux avec largeur de chaque faisceau variable, comme sur la figure 5c. REVENDICATIONS 1. Réflecteur bipolarisation configurable, comprenant un premier et un deuxième ensembles sécants de lignes (LH;, LV;) composites parallèles, un segment de ligne entre deux points (I;;) d'intersection consécutifs des deux ensembles contenant un composant (12) de conductivité commutable au moyen d'un signal (V) de commutation, caractérisé en ce que lesdits composants sont disposés sur les segments de lignes pour qu'au moins un signal de commutation appliqué en un point (P1k, P1k', P1k ) d'intersection desdits ensembles commute la conductivité des composants d'un groupe de segments définissant une zone (Z) de réflecteur de réflectivité donnée. 2. Réflecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit point d'application dudit signal de commutation est situé sur une ligne extérieure (LH1) audit ensemble. 3. Réflecteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, lesdits composants de conductivité commutable étant des composants (12) de conductivité unidirectionnelle, les composants de conductivité unidirectionnelle disposés le long des lignes (LH;) du premier ensemble présentent une direction de conductivité alternée, et en ce que les composants de conductivité unidirectionnelle des lignes (LV;) du deuxième ensemble présentent une même direction de conductivité. 4. Réflecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la longueur des segments des lignes du premier ensemble est égale à la longueur des segments des lignes du deuxième ensemble. 5. Réflecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la longueur des segments des lignes du premier ensemble est différente de la longueur des segments des lignes du deuxième ensemble. 6. Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits ensembles de lignes sont déposés sur un support. 7. Réflecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit support est souple. 8. Réflecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit support est rigide. 9. Antenne configurable, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un réflecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de réflecteurs cylindriques (R1, R2, R3, R4) concentriques.10