Brevet FR2906937A1 — publié le 20080411

Découplage des réseaux d'éléments rayonnants d'une antenne La présente invention se rapporte à une antenne de télécommunication, utilisée notamment pour la téléphonie cellulaire. Une telle antenne est formée de réseaux 5 d'éléments rayonnants faiblement espacés. Les antennes de ce type sont obtenues par la technique du circuit imprimé, et constituées de réseaux parallèles de dipôles qui sont placés dans un boîtier servant de réflecteur. Ces antennes, le plus souvent appelées antennes plaquées ou antennes patch , sont largement employées actuellement du fait de leur encombrement très 10 réduit, de leur technologie de fabrication extrêmement simple et de leur coût modéré car elles sont fabriquées en grande série. Cependant ces antennes présentent des difficultés de réalisation en raison de conflits existants entre les différents critères de conception. Notamment le couplage mutuel qui peut se produire entre les éléments rayonnants individuels lorsqu'ils sont 15 rapprochés, s'il peut améliorer les performances de l'antenne, présente par ailleurs certains effets négatifs, tel qu'une distorsion du spectre de l'antenne ou la modification de l'impédance d'entrée des éléments pour une fréquence donnée. II s'agit donc de limiter ce couplage sans augmenter sensiblement ni le poids, ni l'encombrement de l'antenne. 20 Afin de préserver une uniformité de radiation, il est nécessaire de maintenir un découplage de bonne qualité entre les réseaux de dipôles. Le plus souvent les réseaux de dipôles sont généralement isolées les unes des autres par de simples parois métalliques formant écrans. Pour obtenir un meilleur découplage, une solution est d'augmenter la hauteur de l'écran pour bloquer la transmission électromagnétique entre 25 les éléments. Cependant, dans le cas où les parois sont très proches, les éléments rayonnants se retrouvent confinés dans un faible espace créés par les écrans sur lesquels se produisent des réflexions multiples qui réduisent la bande passante. Les performances de l'antenne s'en trouvent ainsi dégradées, en particulier le rapport d'onde stationnaire (ROS), ce qui traduit une désadaptation de l'impédance d'entrée de 30 l'antenne avec celle de l'émetteur (dans le cas d'une émission). Il est lié au module du coefficient de réflexion de l'antenne. 2906937 2 Pour résoudre ce problème, on a par exemple proposé de disposer côte à côte sur un réflecteur des éléments rayonnants. Une ligne métallique conductrice placée dans le même plan que les éléments, et reliée à la terre et au réflecteur, entoure ces éléments rayonnants. Les éléments rayonnants et la ligne métallique peuvent notamment être réalisés par gravure d'une couche de cuivre recouvrant une couche diélectrique. Ce mode de réalisation ne s'applique qu'à des éléments entièrement contenus dans un plan parallèle à celui du réflecteur. Cette solution n'est pas applicable à des éléments rayonnants qui sont dans un plan perpendiculaire au réflecteur, comme c'est le cas pour les dipôles. La structure mécanique à mettre en oeuvre dans ce cas est complexe et onéreuse. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients de l'art antérieur, et en particulier de minimiser les réflexions existant entre les parois métalliques de l'antennes et les éléments rayonnants, tout en maintenant un niveau élevé de découplage sans réduction de la bande de fréquence. L'objet de la présente invention est une antenne comportant au moins deux réseaux d'éléments rayonnants disposés linéairement et parallèlement, des écrans métalliques plans étant intercalés entre les réseaux, caractérisée en ce que des moyens d'écran sont ajoutés au-dessus des éléments rayonnants. Les moyens d'écran sont disposés dans un plan perpendiculaire à celui des 20 écrans métalliques séparant les réseaux, et donc dans un plan perpendiculaire aux réseaux également. Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens d'écran comprennent des brins métalliques agencés de manière à être toujours placés entre deux éléments rayonnants. Ils s'étendent sur la dimension transversale de l'antenne de manière à 25 traverser les écrans et les réseaux parallèles. Le nombre de brins utilisé dépend du niveau d'isolation souhaité. De préférence la largeur des brins est comprise entre un quinzième (1/15 ème) et un vingt-cinquième (1/25 ème) de la longueur d'onde à la fréquence centrale, et de préférence de l'ordre de un vingtième (1/20 ème) de la longueur d'onde. 30 Les brins métalliques ont une influence négligeable sur le ROS mais permettent d'améliorer significativement le découplage entre les éléments en réseaux avec un gain 2906937 3 qui peut atteindre 3 à 5dB. Parallèlement la hauteur des écrans métalliques peut être limitée à la valeur suffisant à obtenir un ROS satisfaisant sur la bande de fréquence. La présente invention a comme avantage supplémentaire de contribuer à la rigidité mécanique de l'antenne. 5 La présente invention s'applique aux antennes des stations de base pour la téléphonie mobile en général, et en particulier en vue des applications dites WiMax (pour Worldwide Interoperability for Microwave Access en anglais). D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation, donné bien entendu à titre 10 illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une représentation schématique d'un élément rayonnant dans un environnement confiné, - la figure 2 montre une antenne selon l'invention de manière schématique, - les figures 3A et 3B représentent un mode de réalisation de l'invention, 15 - les figures 4A et 4B sont des courbes montrant le découplage entre les réseaux d'éléments rayonnants respectivement pour une antenne de l'art antérieur et pour une antenne selon l'invention ; l'amplitude A en décibels (dB) est donné en ordonnée, et en abscisse la fréquence F en gigahertz (GHz). Sur la figure 1, on a représenté un dipôle unitaire 1 fixé sur le fond 2 du boîtier 3 20 d'une antenne et entourée d'écrans métalliques 4. Les flèches 5 symbolisent les multiples réflexions qui se produisent sur les écrans 4 à cause de leur proximité. Une antenne 21 selon la présente invention est schématisée sur la figure 2. L'antenne 21 comprend quatre réseaux 22 composés d'éléments rayonnants unitaires 23. Les réseaux 22 forment des rangées parallèles séparées par des écrans 24 25 et encadrées par les parois latérales 25 du boîtier de l'antenne 21. Les moyens d'écrans 26, disposés au-dessus des réseaux 22, sont ici composés de brins 27 fixés sur les parois latérales 25 de manière à être positionnés au-dessus des zones où il n'y a pas d'élément rayonnant 23, afin de ne pas perturber le ROS. Dans le cas présent où les réseaux 22 comportent chacun six dipôles 23, il suffit d'utiliser quatre brins 27 pour 30 atteindre les performances d'isolation souhaitées. 2906937 4 Dans le mode de réalisation de l'invention illustré sur les figures 3A et 3B, on a représenté une antenne 31 selon l'invention comprenant quatre réseaux 32 d'éléments rayonnants ou dipôles 33 individuels alignés, formant des rangées planes et parallèles. L'élément rayonnant 33 est réalisé sur un circuit imprimé. Pour des raisons de 5 performance radio-électrique, la distance séparant les réseaux 32 est d'une demie longueur d'onde. Afin de réduire le couplage, les réseaux 32 sont implantés de manière à ce que les éléments rayonnants 33 soient décalés les uns par rapport aux autres d'une demie longueur d'onde. Entre les réseaux 32 sont placés parallèlement des écrans 34 métalliques ayant 10 une hauteur du même ordre que la hauteur des réseaux. L'antenne 31 comporte un boîtier 35 formant socle 36 et parois latérales 37 pour les réseaux 32 et les écrans 34. Le boîtier 35 porte quatre connecteurs d'entrée 38 correspondant à chacun des quatre réseaux 32 d'éléments rayonnant 33 qui sont représentés ici. Selon l'invention, des moyens d'écran 39 sont en outre disposés au-dessus des 15 éléments 32 et des écrans 34. Ces moyens 39 sont composés de brins 40 métalliques entrecroisés formant une grille. Les brins 40 s'étendent sur toute la largeur de l'antenne et sont disposés entre deux éléments rayonnants 33 de manière à ne pas perturber le ROS. Dans le cas présent ces moyens 39 sont dans un plan perpendiculaire au plan des écrans 34 et des réseaux 32, fermant ainsi le boîtier 35. La largeur des brins 40 est de l'ordre de un vingtième (1/20 ème) de la longueur d'onde. Les figures 4A et 4B montrent respectivement les performances obtenues avec une antenne de l'art antérieur et une antenne selon l'invention. La ligne 50 représente la valeur de référence de l'amplitude contenue dans les spécifications applicables, soit 20 dB. Les courbes 51-56 d'une part et 61-66 d'autre part correspondent à des mesures effectuées au niveau des connecteurs d'entrée de l'antenne pris deux à deux. Les courbes 51-56 obtenues avec une antenne de l'art antérieur doivent être comparées une à une respectivement aux courbes 61-66 obtenues avec une antenne selon l'invention. On constate que les courbes 61-66 présentent une amplitude inférieure aux courbes 51--56, traduisant une amélioration du découplage entre les réseaux. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle inclut les diverses variantes et généralisations qui sont à la portée de l'homme du métier. En particulier, on pourra sans sortir du cadre de l'invention rendre ces moyens d'écran solidaires du radôme qui protège la structure 2906937 5 rayonnante de l'antenne, notamment sous la forme de rubans métalliques reprenant les caractéristiques des brins précédemment décrits, qui seront fixés (collés) sur la face interne du radôme. REVENDICATIONS 1 Antenne comportant au moins deux réseaux (22) d'éléments rayonnants (23) disposés linéairement et parallèlement, des écrans (24) métalliques plans étant intercalés entre les réseaux (22), caractérisée en ce que des moyens d'écran (26) sont ajoutés au-dessus des éléments rayonnants (23). 2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les moyens d'écran (26) sont disposés dans un plan perpendiculaire à celui des écrans (24) métalliques séparant les réseaux (22). 3. Antenne selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle les moyens d'écran (26) comprennent des brins (27) métalliques agencés à être toujours placés entre deux éléments rayonnants (23). 4. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle la largeur des brins (27) est comprise entre un quinzième et un vingt-cinquième de la longueur d'onde à la fréquence centrale. 5. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la distance entre les réseaux (22) est de l'ordre d'une demie longueur d'onde. 6