Brevet FR2905803A1 — publié le 20080314

Dispositif de déphasaqe diélectrique rotatif pour éléments rayonnants La présente invention se rapporte à un dispositif de déphasage rotatif, comportant un matériau diélectrique, permettant d'appliquer un déphasage sur des éléments rayonnants, ou des groupes d'éléments rayonnants, notamment appartenant à des antennes pour les stations de base des réseaux de communication cellulaires (GSM, UMTS,...). Ce déphasage vise à dépointer la direction du lobe principal de l'antenne, et ainsi de réaliser des antennes à dépointage dynamique, ou autrement appelées antennes à tilt variable . L'invention concerne plus particulièrement le domaine des structures de type microbande. D'une manière générale il s'agit de surfaces conductrices formées sur l'une des faces d'un substrat diélectrique plan, sur l'autre face duquel est accolée une feuille conductrice continue communément dénommée plan de masse . Les organes rayonnant à microbandes se présentent généralement sous la forme d'un circuit imprimé plaqué sur le substrat diélectrique. II existe plusieurs grandes familles de systèmes de déphasage suivant leur mode de fonctionnement mécanique. D'une part les systèmes à déplacement longitudinal (par exemple décrit dans US-5,949,303 ou WO-02/35651) où un matériau de constante diélectrique élevée et de faible perte est utilisé pour créer un déphasage relatif entre deux éléments rayonnants, ou deux groupes d'éléments rayonnants, d'une antenne. Le matériau est inséré à proximité de la ligne conductrice qui peut être à structure planaire de type triplaque (stripline) ou microruban (microstrip). La vitesse de propagation du signal circulant sur cette ligne conductrice est d'autant plus réduite que la constante diélectrique du matériau est élevée, que l'épaisseur de la pièce en matériau diélectrique est conséquente, et que cette pièce est placée de manière à couper les lignes de courant qui se situent entre les lignes d'alimentation et la terre. L'inconvénient majeur de ce système est qu'il nécessite une assez grande superficie pour être activé, puisque la pièce en matériau diélectrique doit se mouvoir d'un bout à l'autre du système dans le sens longitudinal. Les limites du déplacement de la pièce limitent donc l'amplitude de déphasage du système. D'autre part les systèmes à déplacement transversal (par exemple décrit dans EP-1 215 752), où un matériau à constante diélectrique élevée et de faible perte est utilisé pour créer un déphasage relatif entre deux éléments rayonnants. Le mouvement 2905803 2 est transversal par rapport à la ligne d'alimentation des divers éléments rayonnants. Chacun des déphasages s'additionne les uns aux autres, jusqu'à ce que le dernier élément rayonnant soit alimenté. L'inconvénient de ce système est qu'il convient de mettre en mouvement chacun de ces déphaseurs, alors qu'ils sont assez éloignés 5 physiquement les uns des autres. Enfin les systèmes rotatifs (par exemple décrit dans US-6,850,130 ou JP-09-246 846), où une ou plusieurs pièces métalliques assurent la liaison entre diverses lignes conductrices. Ces pièces métalliques assurent un couplage ad hoc entre les lignes conductrices le plus souvent sous la forme d'une connexion sans contact, c'est 10 à dire où un effet capacitif entre deux pièces métalliques assure un couplage RF entre les lignes. Cependant le couplage entre lignes a comme inconvénient que ces systèmes peuvent difficilement avoir de bonnes performances sur une large de bande de fréquence sans nécessiter de faire des compromis néfastes quant aux pertes de couplage, donc sur l'efficacité générale du système de déphasage. Un autre 15 inconvénient de ces systèmes est qu'il est difficile de multiplier les lignes conductrices qui seront reliées aux éléments rayonnants. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients de l'art antérieur, et en particulier de proposer un système pour dépointer une antenne compacte comprenant un dispositif de déphasage de structure simple, économique et fiable. Elle 20 propose en particulier un déphaseur électrique rotatif, variable continûment, et à faibles pertes. L'objet de la présente invention est un dispositif de déphasage rotatif comportant : - une piste électriquement conductrice, comportant plusieurs segments concentriques 25 autour d'un axe, au moins une entrée et au moins deux sorties, placée dans une matrice à faible constante diélectrique, - une pièce supérieure et une pièce inférieure disposées de part et d'autre de la piste, en un matériau ayant une constante diélectrique supérieure à celle de la matrice, chacune de ces pièces ayant sur sa face extérieure une surface conductrice reliée à la terre, 30 caractérisé en ce que la pièce supérieure et la pièce inférieure sont susceptibles de se déplacer en rotation autour de l'axe par rapport à la piste pour modifier le recouvrement des segments. 2905803 3 Le dispositif rotatif selon l'invention permet le dépointage de l'antenne grâce à l'utilisation d'un matériau à constante diélectrique relativement élevée (Er > 1) et de faible perte pour créer un déphasage. Ce système comprend une partie fixe, incluant une ligne l'alimentation de type 5 stripline ou microstrip. Cette ligne est de type circulaire ou semi-circulaire, elle est noyée dans un matériau ou un gaz de constante diélectrique relativement faible, ce gaz pouvant être tout simplement de l'air. L'invention comporte en outre une ou plusieurs plaques d'un matériau à constante diélectrique supérieure à celui utilisé pour la ligne d'alimentation seule, permettant ainsi de réaliser à terme un déphasage substantiel. 10 La piste comporte en outre une première section pour la transformation d'impédance et une deuxième section pour la division en courant. Ces sections sont placées entre l'entrée et les sorties et sont connectées aux segments concentriques. Avantageusement la première section est au moins partiellement recouverte par un matériau diélectrique. Un tel recouvrement contribue à améliorer les performances du 15 dispositif. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la constante diélectrique moyenne de pièce supérieure et de la pièce inférieure est modifiée par enlèvement de matière. La présente invention a comme avantage de permettre une grande facilitée de 20 déplacement mécanique des pièces et assurant une continuité parfaite entre les différentes lignes d'alimentation des éléments rayonnants à structure microstrip ou stripline. Un autre avantage de l'invention est que la vitesse de modification de la phase est différente suivant que l'on considère les lignes stripline ou microstrip qui sont plus ou moins éloignées du centre de rotation de l'ensemble. Pour les lignes placées près du 25 centre, le déphasage est relativement lent alors que pour les lignes éloignées du centre il est beaucoup plus rapide, et ce pour un même mouvement angulaire. Et ceci contrairement aux systèmes de déphasage mécaniques du type longitudinaux notamment En effet dans le cas de systèmes longitudinaux, le déplacement mécanique du 30 bloc diélectrique est constant par construction, alors qu'il convient que le changement de phase soit progressif et linéaire (i.e. les éléments rayonnants aux extrémités de l'antenne doivent être déphasés beaucoup plus rapidement que ceux présents au centre). Suivant que les éléments rayonnants à alimenter sont aux extrémités ou au centre de l'antenne, 2905803 4 il faut utiliser des milieux diélectriques différents, c'est à dire comportant une valeur moyenne de constante diélectrique différente. Ceci peut être réalisé en choisissant soit un matériau diélectrique différent pour chaque section d'éléments rayonnants à alimenter ou bien en évidant en tout ou partie du matériau diélectrique (par exemple en créant des 5 évidements ou en réduisant l'épaisseur) pour que sa valeur moyenne en soit modifiée. Dans le cadre de l'invention, il suffit de choisir les lignes qui sont à l'extérieur pour alimenter les éléments rayonnants qui sont placés aux extrémités de l'antenne, et les lignes qui sont à l'intérieur pour alimenter les éléments rayonnants qui sont placés au centre de l'antenne, pour être assuré que le déphasage entre dipôles sera progressif et 10 constant. Pour contrôler la vitesse de déphasage entre dipôles, on choisira convenablement l'écartement entre les pistes lors de la construction du système à déphasage. En particulier si le déphasage entre les éléments rayonnants de l'antenne doit être linéaire et progressif, on adoptera une distance égale et constante entre les lignes. 15 Bien entendu un changement de milieu diélectrique peut aussi être associé à la méthode de manière à pouvoir utiliser une variable de construction supplémentaire. Selon l'invention, le matériau diélectrique est de préférence choisi parmi une matière plastique et/ou un matériau céramique. Selon un mode de réalisation particulier, la matière plastique constituant le matériau diélectrique contient un ou plusieurs polymères. 20 Le matériau diélectrique peut notamment être constitué d'un mélange, d'un alliage ou d'une superposition de couches en différents matériaux. L'invention a aussi pour objet une antenne comprenant un dispositif de déphasage tel que décrit précédemment. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la 25 lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel - la figure 1 représente une vue éclatée schématique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de déphasage selon l'invention, - la figure 2 montre le dispositif de la figure 1 auquel le couvercle à été ôté, 30 - la figure 3 montre le fond du dispositif de la figure 1, - la figure 4 montre le réseau électrique du dispositif de la figure 1, - la figure 5 montre une pièce diélectrique du dispositif de la figure 1, 2905803 5 - les figures 6A et 6B sont des vues en coupe A-A' de deux variantes de réalisation de la pièce diélectrique de la figure 5, - la figure 7 représente une vue éclatée schématique d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de déphasage selon l'invention, 5 - la figure 8 montre le réseau électrique du dispositif de la figure 7, - la figure 9 montre la pièce diélectrique supérieure du dispositif de la figure 6, - la figure 10 montre la pièce diélectrique inférieure du dispositif de la figure 6, - la figure 11 est une vue en coupe B-B' de la pièce diélectrique de la figure 9, - la figure 12 est une vue en coupe C-C'de la pièce diélectrique de la figure 10. 10 Le déphaseur illustré sur ces figures correspond à un déphaseur conçu pour travailler dans les bandes de fréquence AMPS (Advanced Mobile Phone System) et GSM (Global System for Mobile communications), c'est à dire 824MHz à 960MHz. Bien entendu un déphaseur selon l'invention peut travailler dans n'importe quelle bande de fréquence. 15 Dans le mode de réalisation de l'invention illustré sur les figures 1 et 2, le dispositif de déphasage 1 comprend un boîtier composé d'un couvercle 2 et d'un fond 3 en matériau conducteur disposés parallèlement l'un à l'autre, reliés par un axe mécanique central 4 coaxial à la direction X-X', et constituant le plan de masse . Le déphaseur 1 comprend aussi une pièce inférieure 5 et une pièce supérieure 6 en 20 matériau diélectrique placées au contact du couvercle 2 et du fond 3 respectivement. Le déphaseur comprend encore ligne d'alimentation sous la forme d'une piste 7 électriquement conductrice composée de plusieurs segments concentriques 7a, 7b, 7c, muni d'une alimentation, qui sont représentés sous la forme d'un réseau de lignes. Les deux pièces 5, 6 en matériau diélectrique sont susceptibles d'être déplacés en rotation 25 par rapport à la piste 7, pour modifier le recouvrement des segments par les deux pièces 5, 6. La figure 3 représente de manière schématique le fond 3 du boîtier. Le fond 3 est constitué d'une matière conductrice, au moins en surface. Le couvercle 2 et le fond 3 sont reliés entre eux et à la terre ; ils se trouvent donc portés au même potentiel. Le 30 fond 3, ainsi que le couvercle 2, sont formés ici d'un bloc d'aluminium, qu'il soit plié, moulé ou usiné. Le fond 3 et le couvercle 2 pourraient aussi bien être réalisé dans d'autres matériaux, tels que l'aluminium, le cuivre, le laiton ou tout autre métal ou alliage. 2905803 6 Le fond 3 a ici une forme en S2 qui couvre la surface totale du déphaseur, mais il pourrait également être réalisé sous de nombreuses configurations autres que celle représentée. Le fond 3 comporte au minimum une entrée et deux sorties. Le nombre d'accès minimal est donc de 3, et il n'y a que des contraintes d'encombrement physique qui 5 puissent en limiter le nombre (sans être limité à un chiffre pair ou impair). Dans le cas présent, l'entrée 30 est représentée en position centrale mais, elle pourrait aussi bien être placée sur l'un des cotés du fond 3. Les sorties 31 et 32 sont portées par chaque extrémité du Q. Les entrée 30 et sorties 31, 32 sont ici des connecteurs, mais elles pourraient également être réalisées sous la forme de liaisons directes vers les éléments 10 rayonnants grâce à des câbles coaxiaux ou en prolongeant les lignes microruban ou triplaque. On a représenté sur la figure 4 la piste électrique 7, placée au centre du déphaseur, qui se présente sous la forme d'une ligne de type microruban poinçonnée dans une tôle de laiton, mais elle pourrait aussi bien être réalisée dans tout autre 15 matériau ayant une bonne conductivité électrique, ainsi que sous la forme d'un circuit imprimé. La piste 7 comporte plusieurs segments 40 placées de manière concentrique par rapport à l'axe de rotation X-X' du déphaseur. Les segments 40 sont parallèles entre eux. Lors de la réalisation, on fait en sorte d'écarter ces segments de manière à en minimiser le couplage. 20 L'accès 41 à la piste se situe au centre. Une première section 42 de la piste 7, située dans le prolongement de l'accès 41, est composée de plusieurs segments. La section 42 est utilisée pour permettre une transformation d'impédance correcte entre l'accès 41 et le nombre N de connections à pourvoir en sortie ( N 2 ). La largeur des segments formant la section 42 est adaptée pour respecter l'impédance d'entrée et de 25 sortie recherchée, généralement 50 Ohms. Typiquement les segments peuvent avoir une largeur de l'ordre de 7,35 mm à 7,5 mm pour une épaisseur de l'ordre de 1 mm, lorsque la ligne en ruban est inscrite entre deux pièces 2, 3 reliées à la terre et espacées de 7 mm. Dans le cas présent, la distance entre l'accès 41 et l'ensemble des segments 40 30 à alimenter est assez grande. Cette distance peut être mise à profit pour permettre cette transformation d'impédance sous d'excellentes conditions. La section 42 peut être réalisée par exemple par une transformation d'impédance progressive de type Klopfenstein. Cette section 42 peut être réalisée soit sous la forme d'une ligne stripline à air ou à matériau diélectrique. Ceci constitue un des grands avantages de l'invention. 2905803 7 Les systèmes connus imposent d'accepter des compromis néfastes à la largeur de bande de fréquence utilisable et des pertes globales des systèmes de déphaseurs, et offrent en contrepartie peu de possibilités pour l'adaptation de l'impédance d'entré du déphaseur. 5 Une deuxième section 43 est utilisée pour permettre la division en puissance vers les différents segments 40. En effet, les segments 40 ne doivent pas forcément avoir la même amplitude de fonctionnement, mais bien souvent ils doivent permettre une pondération de la puissance disponible dans les différentes sorties 32, 33. Les aménagements visant à pondérer ces puissances se trouvent le plus souvent sous 10 la forme d'une modification de la largeur de section des segments 40 ou bien sous la forme d'ajout d'évidements à l'intérieur de ceux-ci. Il va de soi qu'étant donné le caractère de réciprocité d'une antenne, un élément de réception (ou une antenne composée d'un réseau d'éléments de réception) est capable de fonctionner en élément rayonnant (ou antenne rayonnante) sans aucune 15 modification de ses caractéristiques. Sur le fond 3 est déposée une pièce 5 en matériau diélectrique représentée sur la figure 5. Une pièce 6 est également déposée de même dans le couvercle 2. Les pièces 5,6 peuvent être réalisées de différentes manières. Pour faciliter la conception, les pièces 5 et 6 sont dans l'exemple présent de forme identique. Typiquement les 20 pièces 5,6 sont réalisés en matière plastique, comme par exemple du polyester polypropylène (PPS RYTON) ayant une constante diélectrique de l'ordre de 4 à 6. Bien que plus cher et requérant une plus grande précision, on peut aussi utiliser un matériau de type céramique comme matériau diélectrique dont la constante diélectrique Er est de l'ordre de 10. 25 La pièce 5 ne couvre que partiellement la surface du fond 3 et peut être décomposée en trois sous-ensembles : - une partie centrale 51 pleine, - deux ailes latérales 52 et 53 qui assurent une transformation d'impédance convenable entre les différents milieux hétérogènes du dispositif stripline, et 30 - la partie périphérique 54 assure la fonction de déphasage du système. La partie centrale 51 n'a pas de fonction électrique propre, sauf si elle recouvre en tout ou partie l'accès 41 de la piste 7. Dans ce cas le diélectrique peut être employé 2905803 8 de manière à augmenter les capacités de la ligne de transformation d'impédance progressive. Dans le cas présent, la transformation d'impédance s'effectuer entre la partie de la piste 7 qui est au contact de l'air, et la partie de la piste 7 qui est enfermée entre les 5 parties pleines des deux pièces 5, 6 en matériau diélectrique. Dans le mode de réalisation de la figure 1, cette fonction de transformation d'impédance est assurée grâce à la création d'évidements dans le matériau diélectrique. Ces évidements peuvent avoir la forme que l'on souhaite. A titre d'exemple, ils ont étés représentés ici par de simples évidements pratiqués dans les pièces 5 et 6. Sur la figure 6A, ces évidements 55 10 traversent la pièce 5, 6 de part en part ; alors que sur la figure 6B, les évidements 56 sont réalisés de part et d'autre de la pièce 5, 6 et ne communiquent pas. La configuration de la pièce 5 diélectrique de la figure 5 permet ainsi d'obtenir naturellement un déphasage graduel en recourant à des évidemment localisés, complets ou partiels du milieu diélectrique. 15 Par calcul ou simulation, on obtient la succession adéquate des modifications à effectuer dans la section des pièces 5, 6 afin d'obtenir une transformation d'impédance convenable entre les deux milieux en utilisant d'un schéma équivalent du milieu diélectrique d'éléments localisés envisagé sous la succession d'éléments discrets : résistance R, inductances L et capacités C. 20 La rotation autour de l'axe central X-X' de la partie périphérique 54 de la pièce 5, 6, constituée d'un matériau de constante diélectrique relativement élevée et de faible perte (de l'ordre de moins de un pour mille), permet de créer un déphasage relatif entre les éléments rayonnants (ou groupes d'éléments rayonnants) de l'antenne. Le matériau diélectrique utilisé est disposé à proximité de la piste conductrice dans une 25 configuration triplaque (stripline) dans le cas présent. La pièce 5, 6 est placée de manière à couper les lignes de courant entre les segments d'alimentation 7a, 7b et 7c et la terre. La pièce 5, 6 en matériau diélectrique ne doit pas provoquer de perte d'intensité du signal, mais a pour rôle d'en retarder la propagation. La vitesse de propagation du signal circulant sur cette ligne conductrice est d'autant réduite que la constante 30 diélectrique de la pièce 5, 6 est élevée et l'épaisseur de la pièce 5, 6 est conséquente. Dans le mode de réalisation de la figure 7, le dispositif de déphasage 71 comprend un boîtier composé d'un couvercle (non représenté) et d'un fond 72 en matériau conducteur, une pièce supérieure 73 et une pièce inférieure 74 en matériau diélectrique placées au contact du couvercle et du fond 72 respectivement, et une 2905803 9 piste 75 électriquement conductrice composée de plusieurs segments concentriques. Les deux pièces 73, 74 en matériau diélectrique sont susceptibles d'être déplacés en rotation par rapport à la piste 75, pour modifier le recouvrement de la ligne. La figure 8 montre un exemple de schéma d'une piste électrique 81, obtenu par 5 simulation. On y retrouve l'accès 82 à la piste 81 qui se situe au centre, une première section 83 de la piste 81 dans le prolongement de l'accès 82 composée de plusieurs segments, et une deuxième section 84 utilisée pour permettre la division vers les différents segments 85a, 85b, 85c, 85d chacune munie d'une sortie 86. Les figures 9 et 10 représentent respectivement deux variantes 91, 101 de 10 réalisation d'une pièce en matériau diélectrique selon le mode de réalisation de la figure 7. La pièce 91, 101 comporte une partie centrale 92, 102, deux ailes latérales 92, 93 et 103, 104 qui assurent la transformation d'impédance, et une partie périphérique 95, 105 qui assure la fonction de déphasage du système. Les ailes 92, 93 et 103, 104 sont simplifiées puisqu'elles sont réduites ici à une simple section quart 15 d'onde d'épaisseur réduite. Dans les figures 9 et 10, on utilise des sections de type quart d'onde dont on fait varier la valeur moyenne de constante diélectrique en jouant sur l'épaisseur du matériau à chaque étage, comme représenté par exemple sur les figures 11 et 12. La partie centrale 92, 102 n'a pas de fonction électrique propre, sauf si elle 20 recouvre en tout ou partie l'accès 41 de la piste 7. Sur la figure 9, la partie centrale 92 est pleine. Cependant, dans le cas où ce choix n'est pas retenu, on peut pratiquer des évidements 106 dans la partie centrale 102 comme représenté sur la figure 10 par exemple. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais est 25 susceptible de nombreuses variantes aisément accessibles à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Dispositif de déphasage rotatif comportant : - une piste (7) électriquement conductrice, comportant plusieurs segments concentriques (7a, 7b, 7c) autour d'un axe X-X', au moins une entrée (30) et au moins deux sorties (31, 32), placée dans une matrice à faible constante diélectrique, - une pièce supérieure (6) et une pièce inférieure (5) disposées de part et d'autre de la piste (7), en un matériau ayant une constante diélectrique supérieure à celle de la matrice, chacune de ces pièces (5, 6) ayant sur sa face extérieure une surface conductrice (2, 3) reliée à la terre, caractérisé en ce que la pièce supérieure (6) et la pièce inférieure (5) sont susceptibles de se déplacer en rotation autour de l'axe X-X' par rapport à la piste (7) pour modifier le recouvrement des segments (7a, 7b, 7c). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la piste (7) comporte en outre une première section (42) pour la transformation d'impédance et une deuxième section (43) pour la division en courant, les sections (42, 43) étant connectées aux segments (7a, 7b, 7c). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la première section (42) est au moins partiellement recouverte par un matériau diélectrique. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes; dans lequel la constante diélectrique moyenne de la pièce supérieure (6) et de la pièce inférieure (5) est modifiée par enlèvement de matière. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau diélectrique est choisit parmi une matière plastique et un matériau céramique. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le matériau diélectrique contient un ou plusieurs polymères. 7. Antenne comprenant un dispositif de déphasage selon l'une des revendications précédentes. 10