Brevet FR2912557A1 — publié le 20080815

Système de déphasage pour éléments rayonnants d'une antenne La présente invention se rapporte à un dispositif de déphasage à déplacement longitudinal, comportant un matériau diélectrique, permettant d'appliquer un déphasage sur des éléments rayonnants, ou des groupes d'éléments rayonnants. L'invention est destinée à être utilisée notamment à des éléments rayonnants appartenant à des antennes pour les stations de base des réseaux de communication cellulaires (GSM, UMTS, ...) mais également à tout autre type d'application mettant en oeuvre des déphaseurs. Le 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 . Les déphaseurs sont des systèmes passifs, c'est à dire ne comportant pas de composants électroniques, permettant d'appliquer une différence de phases relative entre différents accès d'un réseau d'alimentation radio fréquences. Il existe plusieurs grandes familles de systèmes de déphasage suivant leur mode de fonctionnement mécanique. D'une part 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 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 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 inconvénient de ces systèmes est qu'il est difficile de multiplier les lignes conductrices qui seront reliées aux éléments rayonnants. Enfin ce type de système présente un encombrement important. 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 30 utilisé pour créer un déphasage relatif entre deux éléments rayonnants. Les lignes d'alimentation des éléments rayonnants sont montées en série. Le mouvement 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 physiquement les uns des autres. En outre ces déphaseurs sont placés le long de l'axe principal longitudinal de l'antenne, et des diviseurs sont intercalés entre eux, ce qui entraîne une grande longueur du système, en particulier lorsqu'on cherche à obtenir un déphasage important de l'antenne (notamment jusqu'à 20 et au-delà). Cette longueur cause des difficultés dans le respect des tolérances imposées. Enfin les systèmes à déplacement longitudinal (par exemple décrit dans US-5,949,303 ou WO- 02/35 651) 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 linéairement 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. Un autre inconvénient est qu'il est nécessaire d'utiliser plusieurs déphaseurs pour obtenir une structure complète d'alimentation en réseau pour une antenne. Le document WO-02/35 651 décrit un déphaseur monobloc, se déplaçant d'un seul tenant, constitué d'une pièce unique en matériau diélectrique qui est ajouré de 30 manière adaptée aux différentes lignes conductrices. Ce dispositif ne permet pas un contrôle indépendant des différentes lignes conductrices. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients de l'art antérieur, et en particulier de proposer un système de déphasage à déplacement longitudinal à faibles pertes, stable et compact mécaniquement, et permettant d'obtenir un déphasage qui varie de manière continue. L'objet de la présente invention est un système de déphasage comportant au moins : - un corps ayant au moins une surface électriquement conductrice, - une ligne d'alimentation électriquement conductrice disposée sur le corps et comportant au moins deux segments parallèles selon un axe longitudinal et au moins trois accès, - un dispositif diélectrique mobile disposé au-dessus de la ligne d'alimentation, to Selon l'invention le dispositif comporte au moins deux sections distinctes en matériau diélectrique, capables de se déplacer indépendamment selon l'axe longitudinal. Selon une forme d'exécution préférentielle, chaque section possède des zones situées respectivement à chaque extrémité de la section permettant la transformation d'impédance. 15 Selon une variante, les zones de transformation d'impédance possèdent des évidements. Selon une autre variante, les zones de transformation d'impédance sont séparées par une zone centrale en matériau diélectrique plein. Selon encore une autre variante, les zones centrales des sections ont des 20 longueurs différentes. De préférence le matériau diélectrique est choisit parmi une matière plastique et un matériau céramique. Avantageusement le déplacement des sections est réalisé au moyen d'un engrenage ou d'une tringle pivotante. 25 Le système selon l'invention peut comprendre en outre un moyen de guidage du déplacement longitudinal des sections. Selon un mode de réalisation, la ligne d'alimentation comporte en outre une première portion pour la transformation d'impédance et une deuxième portion pour la division en courant, ces portions étant connectées aux segments. 30 L'invention a aussi pour objet une antenne comprenant un système de déphasage selon l'une des revendications précédentes. Le système de déphasage selon l'invention est un système passif (c'est à dire ne comportant aucun composant électronique actif) et réciproque, c'est à dire apte à fonctionner aussi bien en diviseur qu'en sommateur vis-à-vis des différents accès. L'avantage principal de la présente invention est la possibilité de contrôler de manière indépendante les différences de phase entre deux éléments rayonnants d'une antenne. Le système de l'invention est ainsi applicable à un nombre illimité d'éléments rayonnants. En outre il laisse la possibilité de réaliser des déphasages non linéaires entre les éléments, c'est à dire d'assurer un contrôle indépendant des déphasages appliqués par paire sur les éléments rayonnants. Un autre avantage de l'invention est de permettre un large choix de la valeur d'inclinaison de l'antenne. En effet le système selon l'invention permet d'atteindre des inclinaisons de faisceaux d'antenne importantes qui peuvent atteindre et même dépasser 20 . En outre ce système a l'avantage d'être modifiable afin de pouvoir être adapté pour être utilisable sur différentes bandes de fréquence. Par conséquent la gamme d'inclinaison possible du faisceau de l'antenne se trouve limitée seulement par le matériau diélectrique utilisé (plus la constante diélectrique du matériau sera élevée, plus la gamme d'inclinaison est large) et par la longueur de l'antenne, qui est naturellement importante dans le cas des antennes de type panneaux. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation particulier, donné bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est un schéma simplifié du système de déphasage selon l'invention, - la figure 2 représente une vue schématique éclatée d'un premier mode de réalisation d'un système de déphasage selon l'invention, - la figure 3 montre le système de la figure 2, une fois assemblé, dans une position correspondant au déphasage minimum de l'antenne, - la figure 4 est une vue en perspective oblique du corps du système de la figure 2, - la figure 5 est une vue de dessus de la ligne d'alimentation électrique du système de la figure 2, - la figure 6 est une vue en perspective oblique du corps diélectrique du système de la figure 2, - la figure 7 est une illustration schématique du déplacement des sections diélectriques au moyen d'un engrenage, - la figure 8 est une illustration schématique du déplacement des sections diélectriques au moyen d'une tringle pivotante, - la figure 9, analogue à la figure 3, montre le système selon l'invention dans une position centrée, La figure 1 montre le système de déphasage selon l'invention, comprenant une 10 ligne d'alimentation électrique 11 placée entre deux dispositifs diélectriques 12, l'ensemble étant disposé entre deux corps conducteurs 13. Dans le mode de réalisation de l'invention illustré sur les figures 2 et 3, le système de déphasage comporte les composants suivants, superposés selon une direction A-A : 15 - un corps 21 à surface conductrice ; - une ligne d'alimentation électrique 22 qui comprend : - plusieurs segments conducteurs 22a-22e parallèles selon la direction B-B destinés à l'alimentation des éléments rayonnants, - au moins trois accès, par exemple ici un accès 23 centrale et plusieurs accès 24a-24e 20 et 25a-25e placées respectivement aux deux extrémités des segments 22a-22e, - une portion consacrée à l'adaptation d'impédance, - une portion consacrée à la répartition de la puissance aux différents accès ; - un dispositif 26 en matériau diélectrique comprenant plusieurs section 26a-26e indépendantes qui viennent s'intercaler entre la ligne électrique 22 et le corps 25 conducteur 21 ; par une translation mécanique, les sections diélectriques 26a-26e peuvent être déplacées selon la direction B-B afin de modifier indépendamment la couverture respectivement des segments 22a-22e de la ligne 22 ; - des moyens de guidage 27 et éventuellement des pièces mécaniques supplémentaires pour faciliter le mouvement par coulissement des sections diélectriques 26a-26e. 30 Le corps 21, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, est constitué, au moins en surface, d'une matière conductrice. Dans le cas d'une construction de type triplaque comme c'est le cas ici, le corps est muni de deux plans conducteurs parallèles 21a et 21b ; dans le cas d'une construction de type microruban , une ligne conductrice et un plan conducteur faisant office de plan de masse suffisent. Le corps 21 est réalisé sous la forme d'un bloc d'aluminium, qu'il soit plié, moulé ou usiné. Le corps pourrait tout aussi bien être réalisé dans d'autres matières telles que le laiton, le cuivre, ou tout autre alliage présentant des propriétés analogues. Le corps peut également être réalisé sous d'autres formes que celle représentée ici. Le corps 21 porte une entrée 23 et des sorties 24a-24e et 25a-25e reliées à la ligne d'alimentation 22. Les accès se présentent ici sous la forme de plusieurs connecteurs 24a-24e et 25a-25e, mais ils pourraient également être réalisés sous la forme de liaisons directes vers les éléments rayonnants grâce à des câbles coaxiaux, ou en prolongeant les segments de la ligne d'alimentation de type microstrip ou stripline . L'entrée 23 est ici représentée en position centrale, mais elle pourrait également être placée sur l'un des cotés du corps 21. Le nombre d'accès minimal est donc de trois, et il n'y a que des contraintes d'encombrement physique qui puissent en limiter le nombre, sans pour autant que ce nombre soit limité d'ailleurs à un nombre pair ou impair. La ligne d'alimentation électrique 22 de type stripline , représentée sur la figure 5, est réalisée d'une seule pièce et composée de plusieurs segments conducteurs 22a-22e. La ligne d'alimentation 22 est obtenue par perforation d'une tôle de laiton de 1 mm d'épaisseur, mais elle pourrait tout aussi bien être réalisée avec un matériau différent ayant une bonne conductivité électrique, ainsi que sous la forme d'un circuit dit PCB (pour Printed Circuit Board en anglais). Sous la forme illustrée ici, l'entrée 23 de la ligne d'alimentation 22 communique avec une zone d'accès 50. La portion 51 suivante de la ligne d'alimentation 22 est utilisée pour permettre une transformation d'impédance correcte entre l'entrée 23 et le nombre N de connections à pourvoir en sortie avec N 2 (ici N = 10), par exemple par une transformation d'impédance progressive de type Klopfenstein . La portion 51 se prolonge par la portion 52 qui est utilisée pour permettre une division ou une sommation en puissance vis-à-vis des différents accès 50, 53a-53e 30 et 54a-54e. En effet les segments conducteurs 22a-22e n'ont pas forcément la même amplitude de fonctionnement. Dans le cas présent les sorties 53a-53, 54-54e ont toutes des amplitudes différentes. Les segments conducteurs 22a-22e sont disposés de manière rectiligne et parallèle entre eux. On s'efforcera lors de la réalisation d'écarter si possible les segments 22a-22e de manière à minimiser le couplage entre eux. La largeur des segments conducteurs 22a-22e est adaptée pour respecter l'impédance d'entrée et de sortie recherchée, généralement 60 Ohms. Typiquement les segments conducteurs 22a-22e peuvent avoir une largeur de l'ordre de 7,35 mm pour une épaisseur de l'ordre de 1 mm, lorsque la ligne d'alimentation stripline 22 est inscrite entre deux plans de masse 21a et 21b espacés de 7 mm. On a représenté sur la figure 6 le dispositif 26 en matériau diélectrique plein qui comporte une partie fixe 60, placée au-dessus de la portion 51 de la ligne d'alimentation électrique 22, et plusieurs sections 26a-26e qui sont mobiles et peuvent se déplacer indépendamment les unes des autres. Chaque section 26a-26e diélectrique comporte une zone centrale 61 en matériau diélectrique plein ; les zones centrales sont identiques à l'exception de leur longueur. Les sections 26a-26e sont réalisées 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 Cr est de l'ordre de 10. Chaque section 26a-26e diélectrique comporte deux zones 62a et 62b, situées respectivement à chaque extrémité des sections 26a-26e, qui servent à la transformation d'impédance de la ligne d'alimentation 22 stripline . Une transition d'impédance doit être effectuée entre la partie de la ligne d'alimentation 22 qui est environnée d'air, et la partie où la ligne d'alimentation 22 se trouve entre le corps 21 plein et la zone centrale 61 d'une section 26a-26e du dispositif diélectrique 26. Dans le mode de réalisation présenté ici en exemple, la fonction de transformation d'impédance est assurée grâce à la création d'évidements 63 dans le matériau diélectrique des zones d'extrémité 62a, 62b de chaque section 26a-26e du dispositif diélectrique 26. Ces évidements 63 ont été représentés ici par des trous rectangulaires, mais ils peuvent bien entendu avoir toute autre forme en fonction du résultat escompté. Dans le but d'obtenir une transformation d'impédance convenable entre la partie de la ligne d'alimentation 2 qui est environnée d'air, et la partie où la ligne d'alimentation 2 se trouve entourée de matériau diélectrique, la modification adéquate du matériau diélectrique des sections 26a-26e peut être déterminée par calculs ou par simulation en partant d'une équivalence du milieu diélectrique composée d'éléments localisés, c'est à dire envisagée comme la succession d'éléments discrets R, L et C. Selon un autre mode de la réalisation, les zones 62a, 62b assurant la transition d'impédance peuvent être obtenue grâce à l'utilisation de sections quart d'onde ayant différentes épaisseurs, permettant ainsi d'effectuer la transition d'impédance entre la partie de la ligne d'alimentation 2 située dans un environnement constitué d'air, à la partie de cette ligne 2 dont l'environnement est rempli de matériau diélectrique. Un avantage important de l'invention est que le dispositif diélectrique du système de déphasage est réalisé au moyen de plusieurs sections 26a-26e. Le déplacement de chacune de ces sections peut ainsi être commandé séparément et ainsi le déphasage entre éléments est obtenu au moins par paire d'éléments rayonnants de l'antenne. Les moyens de guidage 27 sont constitués d'un matériau diélectrique, notamment le même matériau que celui utilisé pour le dispositif diélectrique 26, de façon à ce que les sections conductrices 26a-26e de la ligne d'alimentation électrique 22 qu'ils traversent ne subissent pas un quelconque changement de milieu. Ces moyens 27 peuvent être réalisés de multiple façon. Dans le mode de réalisation proposé ici, des entretoises 27a-27e sont employées pour permettre le guidage des sections 26a-26e quand elles glissent longitudinalement. Un engrenage ou une tige par exemple peuvent aider au déplacement des sections ; dans ce cas la vitesse de déplacement des sections reliées est identique. Une autre solution est de déplacer les sections parfaitement indépendamment, par exemple en utilisant des moteurs pas-à-pas ou des actionneurs linéaires indépendants. Le déplacement des sections 26a-26e diélectriques au-dessus des segments conducteurs 22a-22e s'effectue en respectant des règles qui dépendent de l'utilisation du système de déphasage. Dans le cas particulier où un déphasage linéaire et progressif entre les éléments rayonnants de l'antenne est nécessaire, tel que 10 , puis 20 , puis 50 , etc..., les sections 26a-26e se déplacent de manière indépendante et en maintenant entre elles un écart de déplacement constant. Par exemple, si la section 26a se déplace de 20 mm, la section 26b doit se déplacer de 40 mm, la section 26c de 60 mm et ainsi de suite. Le déplacement des sections 26a-26e diélectriques peut être réalisé de différentes façons. Le déplacement synchrone des sections 26a-26e diélectriques peut s'effectuer notamment au moyen d'un engrenage, comportant un nombre pair de roues dentées, ou bien d'une tringle pivotante. Le déplacement par un engrenage 70 est représenté sur la figure 7. On a illustré ici un système à engrenage 70, comprenant deux roues dentées 70a et 70b, pour déplacer les sections diélectriques 71, 72 entre elles. Une section diélectrique principale 71 est déplacée dans une direction 73, tandis qu'une section associée 72 se déplace parallèlement à la section 71 et dans la même direction 74 grâce à l'engrenage 70. Le déplacement par une tringle pivotante est représenté sur la figure 8. Une tringle 80 pivote selon un sens de rotation 81 autour d'un axe mécanique 82 qui n'est pas fixé sur le dispositif diélectrique 26. Chaque section diélectrique 83a-83d du système de déphasage est lié à la tringle 80 au moyen d'un pivot 84a-84d. Les pivots 84a-84d doivent pouvoir accompagner le mouvement de rotation de la tringle 80 par coulissement. Cette solution est simple à mettre en oeuvre mécaniquement, mais peut nécessiter la présence de trous oblongs dans le corps 1 pour permettre le coulissement des pivots 84a-84d. Le fonctionnement du système de déphasage selon l'invention à été étudié dans deux configurations mécaniques différentes : - lorsque le système 90 est en position centrée comme représenté sur la figure 9, et - lorsque les sections diélectriques 26a-26e sont alignées et décalées de 20 mm entre elles, ce qui correspondant à la position équivalente à une inclinaison de l'antenne minimum, comme représenté sur la figure 3. Les résultats des simulations montrent que le système de déphasage selon la présente invention peut être avantageusement incorporé dans un concept d'ensemble d'une antenne, pour obtenir de performances de même niveau dans les conditions d'utilisation actuelles, et avec en outre la possibilité d'accéder à des angles d'inclinaison de l'antenne très supérieurs aux solutions actuelles. 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. REVENDICATIONS 1. Système de déphasage comportant au moins - un corps (21) ayant au moins une surface électriquement conductrice, - une ligne d'alimentation (22) électriquement conductrice disposée sur le corps (21) et comportant au moins deux segments parallèles selon un axe longitudinal B-B et au moins trois accès (23, 24a-24e, 25a-25e), - un dispositif diélectrique (26) mobile disposé au-dessus de la ligne d'alimentation (22), caractérisé en ce que le dispositif (26) comporte au moins deux sections (26a-26e) distinctes en matériau diélectrique, capables de se déplacer indépendamment selon l'axe longitudinal B-B. 2. Système selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel chaque section (26a-26e) possède des zones (62a, 62b) situées respectivement à chaque extrémité de la section (26a-26e) permettant la transformation d'impédance. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel les zones (62a, 62b) de 15 transformation d'impédance possèdent des évidements (63). 4. Système selon la revendication 3, dans lequel les zones (62a, 62b) de transformation d'impédance sont séparées par une zone centrale (61) en matériau diélectrique plein. 5. Système selon la revendication 4, dans lequel les zones centrales (61) des 20 sections (26a-26e) ont des longueurs différentes. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le déplacement des sections (26a-26e) est réalisé au moyen d'un engrenage (70) ou d'une tringle pivotante (80). 7. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau 25 diélectrique est choisit parmi une matière plastique et un matériau céramique. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un moyen de guidage (27) du déplacement longitudinal des sections (26a-26e). 10 9. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la ligne d'alimentation (22) comporte en outre une première portion (51) pour la transformation d'impédance et une deuxième portion (52) pour la division en courant, les portions étant connectées aux segments (22a-22e). 10. Antenne comprenant un système de déphasage selon l'une des revendications précédentes.