Brevet FR2946806A1 — publié le 20101217

Élément rayonnant d'antenne multi-bande La présente invention se rapporte à un élément rayonnant, tel que ceux présent notamment dans les antennes multi-bandes de télécommunication. II s'agit en particulier d'antennes multi-bandes, dites antennes panneau, destinées plus particulièrement aux applications à la téléphonie cellulaire. La téléphonie cellulaire utilise diverses bandes de fréquences correspondant aux différents systèmes de télécommunication connus. Plusieurs systèmes de télécommunication sont actuellement utilisés simultanément, comme par exemple le "Global System for Mobile communications" GSM (870-960 MHz) ou le "Universal Mobile Telephone Service" UMTS (1710-2170 MHz). Dès lors, les opérateurs des réseaux de télécommunication doivent se pourvoir d'un réseau d'antennes effectuant des transmissions suivant les diverses bandes de fréquences utilisées. Pour cela, certains opérateurs mettent en place des réseaux complémentaires d'antennes, chacun de ces réseaux fonctionnant suivant un système de télécommunication. Ainsi, des opérateurs utilisent un réseau d'antennes GSM et un réseau d'antennes DCS tandis qu'ils installent un réseau d'antennes UMTS. Cependant, dans le cadre du déploiement de leur réseau, les opérateurs obtiennent difficilement l'autorisation d'installer de nouvelles antennes. Les sites actuels sont déjà très encombrés au niveau de leur impact visuel. Par ailleurs la multiplication des réseaux d'antennes entraîne des coûts croissants pour les opérateurs - achats d'antennes, locations d'emplacements, installations - ainsi qu'une dégradation de l'environnement. Pour toutes ces raisons, les opérateurs évitent d'augmenter le nombre d'antennes déjà installées. Une solution pour régler ce problème est l'utilisation d'antennes multi-bandes résultant de la combinaison, à l'intérieur d'un unique châssis d'antenne, d'éléments rayonnants appartenant respectivement à plusieurs systèmes de télécommunication. Ces antennes intègrent dans un volume réduit plusieurs antennes mono-bandes en conservant la même qualité de service. On connaît par exemple des antennes bi-bande ou tri-bande dans lesquels les éléments rayonnants affectés à chaque fréquence sont alignés soit parallèlement selon une structure périodique longitudinale, soit par exemple intercalés en quinconce, de manière à assurer un environnement radioélectrique similaire à tous les éléments rayonnants correspondants à une même fréquence. Ces configurations conduisent à une augmentation sensible de la largeur de l'antenne, ce qui dégrade les performances en rayonnement, au moins pour la fréquence la plus élevée. Pour les deux types de configuration, un effet de strabisme du diagramme azimutal est causé par la dissymétrie dans le plan azimutal de l'alignement des éléments rayonnant à haute fréquence. On observe également une forte dégradation de la polarisation croisée dans la section angulaire �60° en raison de cette dissymétrie. Un élément rayonnant à double polarisation est formé de deux dipôles indépendants comprenant chacun deux bras conducteurs colinéaires d'une polarisation donnée, positive ou négative, pour émettre/recevoir des signaux radiofréquence. La longueur de chaque bras est sensiblement égale au quart de la longueur d'onde du signal de travail. Les éléments rayonnants sont montés alignés longitudinalement au-dessus d'un réflecteur, ce qui permet, par réflexion du rayonnement arrière des dipôles, d'affiner la directivité du diagramme de rayonnement de l'ensemble ainsi formé. Chaque bras d'un élément rayonnant est relié par une ligne d'alimentation à une source extérieure d'énergie. Ces éléments rayonnants sont dédiés à l'émission/réception d'une seule fréquence. On connaît des éléments rayonnants comportant quatre bras conducteurs sensiblement triangulaires qui sont disposés orthogonalement les uns par rapport aux autres dans un plan horizontal, appelés ensembles dipolaires en croix (ou � cross bow tie � en anglais). On connaît aussi notamment des éléments rayonnants dits � papillon � (ou � butterfly � en anglais) formés de quatre bras conducteurs pliés axialement en V et disposés orthogonalement les uns par rapport aux autres. On connaît encore des éléments imprimés, aussi appelée éléments "patch", comprenant quatre bras conducteurs dessinés par une couche conductrice déposée sur un substrat diélectrique. La présente invention a donc pour but de proposer un élément rayonnant pour une antenne multi-bande qui permette de réduire son encombrement. L'objet de la présente invention est un élément rayonnant d'antenne multi-bande comprenant un premier plan rayonnant correspondant à une bande de basse fréquence et au moins un deuxième plan rayonnant correspondant une bande de plus haute fréquence, placé au-dessus du premier plan rayonnant dont il est électriquement isolé, la surface du premier plan rayonnant étant supérieure à la surface du deuxième plan rayonnant. II s'agit de superposer deux plans rayonnant séparés, isolés électriquement l'un de l'autre. Le plan rayonnant inférieur, de plus basse fréquence, est conçu de manière à offrir une surface suffisante pour le plan rayonnant supérieur, de plus haute fréquence, de telle sorte qu'il puisse être assimilé à un plan de masse vis-à-vis du plan rayonnant supérieur. Ceci est obtenu avec une surface des dipôles du plan rayonnant inférieur la plus grande possible. Selon un premier mode de réalisation, le premier plan rayonnant est un dipôle imprimé et le deuxième plan rayonnant est un dipôle choisi parmi un dipôle à double polarisation croisée, un dipôle papillon et un dipôle imprimé. Selon un deuxième mode de réalisation, le premier plan rayonnant est un dipôle à double polarisation croisée et le deuxième plan rayonnant est un dipôle choisi parmi un dipôle à double polarisation croisée, un dipôle papillon et un dipôle imprimé. Selon une première forme d'exécution, le dipôle à double polarisation croisée comporte des bras de forme triangulaire. Selon une deuxième forme d'exécution, le dipôle à double polarisation croisée comporte des bras de forme carrée. Selon une troisième forme d'exécution, le dipôle à double polarisation croisée comporte des bras constitués d'un motif fractal volumique. Selon une quatrième forme d'exécution, le dipôle à double polarisation croisée comporte des bras constitués de brins séparés. De préférence les brins sont séparés par une distance inférieure ou égale à XHF/10 où XHF est la longueur d'onde du signal RF haute fréquence. Selon une variante, l'élément rayonnant comprend une premier plan rayonnant inférieur, un deuxième plan rayonnant intermédiaire placé au-dessus du premier plan rayonnant dont il est électriquement isolé, et un troisième plan rayonnant supérieur placé au-dessus du deuxième plan rayonnant dont il est électriquement isolé. L'invention a encore pour objet une antenne de télécommunication multi-bande comportant des éléments rayonnants tels que décrits précédemment. La présente invention a comme avantage de réduire la largeur de l'antenne, donc sa surface, ce qui diminue son coût de fabrication et lui confère une prise au vent moindre. En outre les caractéristiques de l'antenne comportant des éléments selon l'invention sont meilleures que dans les configurations de l'art antérieur pour deux raisons. D'une part les éléments rayonnants d'une bande de fréquence seront moins perturbés par les éléments rayonnants des autres bandes de fréquence, car ceux-ci leur deviennent "invisibles" du fait de la position des éléments les uns au-dessus des autres. D'autre part tous les dipôles ont un environnement symétrique. 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 illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel - la figure 1 représente un élément rayonnant selon un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2 montre une antenne multi-bande comportant des éléments rayonnants analogue à ceux de la figure 1, - la figure 3 représente un élément rayonnant selon un deuxième mode de réalisation, - la figure 4 représente un élément rayonnant selon un troisième mode de réalisation, - la figure 5 représente un élément rayonnant selon un quatrième mode de réalisation, - la figure 6 représente un élément rayonnant selon un cinquième mode de réalisation, - la figure 7 représente un élément rayonnant selon un sixième mode de réalisation, - la figure 8 représente un élément rayonnant selon un septième mode de réalisation. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, on a représenté un élément rayonnant 1 comprenant un plan rayonnant inférieur 2 à double polarisation croisée comprenant un premier dipôle 3 et un second dipôle 4 de longueur sensiblement égale à 1/2XBF, où XBF est la longueur d'onde du signal RF basse fréquence, et disposés orthogonalement l'un par rapport à l'autre de manière à présenter des polarisations orthogonales à �45°. Le premier dipôle 3 comporte un premier bras conducteur 5 et un second bras conducteur 6 colinéaires à polarisation négative (- 45°), chacun de longueur sensiblement égale à 1/422,BF. Chaque bras conducteur 5, 6 est de forme sensiblement triangulaire. Bien entendu les bras pourraient tout aussi bien adopter une autre forme, carrée par exemple. Les premier 5 et second 6 bras conducteur sont disposés, dans le prolongement l'un de l'autre dans un plan horizontal de manière se rapprocher par un de leur sommet sans toutefois entrer en contact. De même, le second dipôle 4 comporte un premier bras conducteur 7 et un second bras conducteur 8 colinéaire à polarisation positive (+ 45°). Chaque bras conducteur 7, 8 est de forme sensiblement triangulaire. Les premier 7 et second 8 bras conducteurs sont disposés dans le prolongement l'un de l'autre dans un plan horizontal de manière à se rapprocher par un de leur sommet sans toutefois entrer en contact. Les dipôles 3, 4 en croix sont portés par un pied 9. Les quatre bras conducteurs 5, 6, 7, 8 sont chacun supportés par une tige 10 fixée sur une plaque de base 11 commune, formant le pied 9. Chaque dipôle 3, 4 est pourvu respectivement d'une alimentation équilibrée pour générer une polarisation linéaire. Selon une forme d'exécution de l'invention, l'élément rayonnant 1 comprend aussi un plan rayonnant supérieur 13 à double polarisation croisée, par exemple analogue au plan rayonnant inférieur 2, comprenant un premier dipôle 14 et un second dipôle 15 de longueur sensiblement égale à 1/2XHF, où XHF est la longueur d'onde du signal RF haute fréquence, et disposés orthogonalement l'un par rapport à l'autre de manière à présenter des polarisations orthogonales à �45°. Le dipôle 14 comporte un premier bras conducteur 16 et un second bras conducteur 17 colinéaires à polarisation négative (- 45°) et le dipôle 15 comporte un premier bras conducteur 18 et un second bras conducteur 19 colinéaires à polarisation positive (+ 45°). Les bras 16, 17, 18, 19 sont de forme sensiblement triangulaire et disposés dans le prolongement l'un de l'autre dans un plan horizontal. Les dipôles 14, 15 en croix sont portés par un pied 20, chaque bras 16, 17, 18, 19 étant porté par une tige 21 fixée sur une plaque de base 22 commune, formant le pied 20. Chaque dipôle 14, 15 est pourvu respectivement d'une alimentation équilibrée pour générer une polarisation linéaire. Le plan inférieur 2 est monté sur un réflecteur 24 plan, servant de plan de masse ("ground plane" en anglais), par l'intermédiaire de sa plaque de base 11. Le plan rayonnant supérieure 13 est placée au-dessus du plan inférieur 2, dont il est électriquement isolé, par exemple par une couche de matériau diélectrique 23, et il y est fixée par l'intermédiaire de sa plaque de base 20. Les bras conducteurs 5, 6, 16, 17 à polarisation négative (- 45°) sont superposés, et de même les bras conducteurs 7, 8, 18, 19 à polarisation positive (+ 45°) sont superposés. Dans le cas présent, les bras conducteurs 5, 6, 7, 8 des dipôles 3, 4 du plan inférieur 2 présentent une surface métallique suffisamment développée pour servir de réflecteur d'énergie RF pour le plan supérieur 13. On considérera maintenant la figure 2 qui illustre un mode de réalisation avantageux d'une antenne 30 de télécommunication comportant des éléments rayonnants 31 selon un mode de réalisation de la présente invention montés sur un réflecteur 32. L'élément rayonnant 31 comprend un plan rayonnant supérieur 33 dédiée à la bande de fréquence UMTS et un plan rayonnant inférieure 34 dédié à la bande de fréquence GSM. L'antenne 30 peut comporter en outre des éléments comprenant un plan rayonnant 35, analogue au plan rayonnant supérieur 33, dédié à la bande de fréquence UMTS, qui sont intercalée entre les éléments rayonnants 31. Les plans rayonnant 35 et 33 doivent soit se situer physiquement à la même hauteur soit être compensés électriquement par l'ajout d'un câble de manière à générer un front d'onde plan. La figure 3 montre un deuxième mode de réalisation d'un élément rayonnant 40. comportant un pied 41 surmonté d'un plan rayonnant 42 à double polarisation croisée. Le plan rayonnant 42 inférieur est composé de deux dipôles 43 et 44 en croix. Le dipôle 43 à polarisation négative (- 45°) comporte un premier bras conducteur 45 et un second bras conducteur 46, et le dipôle 44 à polarisation positive (+ 45°) comporte un premier bras conducteur 47 et un second bras conducteur 48. Un plan rayonnant 49 supérieur imprimé ou métallique à double polarisation, dit de type � patch �, surmonte le plan rayonnant 42 inférieur à double polarisation croisée dont il est électriquement isolé. Comme précédemment les bras conducteurs 45, 46, 47, 48 sont portés chacun par une tige 50 fixée sur une plaque de base 51. Chaque dipôle 43, 44 est ainsi pourvu respectivement d'une alimentation équilibrée pour générer une polarisation linéaire. La figure 4 montre un troisième mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention. L'élément rayonnant 60 comporte un pied 61 portant un plan rayonnant inférieur 62 à double polarisation croisée comprenant un premier dipôle 63 et un second dipôle 64 disposés en croix ayant chacun deux bras 65, 66 et 67, 68 respectivement. Chaque bras 65, 66, 67, 68 est formé de brins séparés ayant une longueur sensiblement égale à 1/42 BF, où XBF est la longueur d'onde du signal RF basse fréquence Les brins sont séparés par une distance inférieure ou égale à XHF/10, OÙ XHF est la longueur d'onde du signal RF haute fréquence. Un plan rayonnant 69 supérieur est superposé au plan rayonnant 62 inférieur dont il est isolé électriquement. Le plan rayonnant 69 supérieur à double polarisation croisée comprend, portés par un pied 70, un premier dipôle 71 et un second dipôle 72 disposés en croix ayant chacun deux bras 73, 74 et 75, 76 respectivement de forme sensiblement triangulaire et disposés dans le prolongement l'un de l'autre dans un plan horizontal. On pourra de la même façon réaliser des éléments rayonnants comportant un nombre de plans rayonnants différents, par exemple un plan rayonnant inférieur, un plan rayonnant intermédiaire et un plan rayonnant supérieur superposés. Bien entendu dans ce cas le plan rayonnant inférieur doit présenter vis-à-vis du plan intermédiaire les mêmes caractéristiques que celles déjà décrites vis-à-vis du plan rayonnant supérieur. De même le plan rayonnant intermédiaire doit présenter vis-à-vis du plan rayonnant supérieur les mêmes caractéristiques que celles déjà décrites pour le plan rayonnant inférieur. L'élément rayonnant 80 représenté sur la figure 5 est un quatrième mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention. L'élément rayonnant 80 comprend un plan rayonnant 81 inférieur qui est un circuit imprimé formant des dipôles 82 et 83 ayant chacun respectivement deux bras 84, 85 et 86, 87 alimenté par une ligne conductrice 88. Un plan rayonnant 89 à double polarisation croisée est superposé au plan rayonnant 81 inférieur dont il est électriquement isolé. Le plan rayonnant 89 supérieur comprend deux dipôles croisés porté par un pied, analogue au plan rayonnant 69 supérieur de la figure 4 et déjà décrit. La figure 6 montre un cinquième mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention. L'élément rayonnant 90 comprend un plan rayonnant 91 inférieur qui est un circuit imprimé formant des dipôles 92 et 93 en croix analogue au plan rayonnant 81 inférieur de la figure 5 déjà décrit. Un plan rayonnant 94 à double polarisation croisée est superposé au plan rayonnant 91 inférieur dont il est électriquement isolé. Le plan rayonnant 94 supérieur comprend deux dipôles 95, 96 croisés du type � papillon � disposés orthogonalement et porté par un pied 97. Chaque dipôle 95, 96 est formé de deux bras conducteurs pliés axialement en V. La figure 7 montre un septième mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention. L'élément rayonnant 100 comprend un plan rayonnant 101 inférieur qui est un circuit imprimé formant des dipôles 102 et 103 en croix analogue au plan inférieur 81 de la figure 5 et déjà décrit. Un plan rayonnant 104 supérieur est superposé au plan rayonnant 101 inférieur dont il est électriquement isolé. Le plan rayonnant 104 supérieur est un circuit imprimé formant des dipôles 105 et 106 en croix. On pourra de la même façon réaliser des éléments rayonnants comportant un nombre de plans rayonnants différents. Par exemple un élément rayonnant 110 comportant un plan rayonnant inférieur 111, un plan rayonnant intermédiaire 112 et un plan rayonnant supérieur 113 superposés comme le montre la figure 8. Bien entendu dans ce cas le plan rayonnant inférieur 111 doit présenter vis-à-vis du plan intermédiaire 112 les mêmes caractéristiques que celles précédemment décrites vis-à-vis du plan rayonnant supérieur 113. De même le plan rayonnant intermédiaire 112 doit présenter vis-à-vis du plan rayonnant supérieur 113 les mêmes caractéristiques que celles déjà décrites pour le plan rayonnant inférieur 111. Le plan rayonnant 111 inférieur est un circuit imprimé formant des dipôles 114 et 115 en croix analogue au plan inférieur 81 de la figure 5 et déjà décrit. Un plan rayonnant 112 intermédiaire est superposé au plan rayonnant 111 inférieur dont il est électriquement isolé. Le plan rayonnant 112 intermédiaire est aussi un circuit imprimé formant des dipôles 116 et 117 disposés en croix. Un plan rayonnant 113 supérieur est superposé au plan rayonnant 112 intermédiaire dont il est électriquement isolé. Le plan rayonnant 113 supérieur est également un circuit imprimé formant des dipôles 118 et 119 en croix. REVENDICATIONS1. Elément rayonnant d'antenne multi-bande comprenant un premier plan rayonnant (2) correspondant à une bande de basse fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un deuxième plan rayonnant (13) correspondant une bande de plus haute fréquence, placé au-dessus du premier plan rayonnant (2) dont il est électriquement isolé, la surface du premier plan rayonnant (2) étant supérieur à la surface du deuxième plan rayonnant (13). 2. Elément rayonnant selon la revendication 1, dans lequel le premier plan rayonnant (81, 91, 101) est un dipôle imprimé (92, 93 ; 102, 103) et le deuxième 10 plan rayonnant (89, 94, 104) est un dipôle choisi parmi un dipôle à double polarisation croisée, un dipôle papillon (95, 96) et un dipôle imprimé (105, 106). 3. Elément rayonnant selon la revendication 1, dans lequel le premier plan rayonnant (2) est un dipôle à double polarisation croisée et le deuxième plan rayonnant (13) est un dipôle choisi parmi un dipôle à double polarisation 15 croisée (14, 15), un dipôle papillon et un dipôle imprimé. 4. Elément rayonnant selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel. le dipôle à double polarisation croisée (3, 4) comporte des bras (5, 6, 7, 8) de forme triangulaire. 5. Elément rayonnant selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel le dipôle à 20 double polarisation croisée comporte des bras de forme carrée. 6. Elément rayonnant selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel. le dipôle à double polarisation croisée comporte des bras constitués d'un motif fractal volumique. 7. Elément rayonnant selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel le dipôle à 25 double polarisation croisée (63, 64) comporte des bras (65, 66, 67, 68) constitués de brins séparés. 8. Elément rayonnant selon la revendication 7, dans lequel les brins sont séparés par une distance inférieure ou égale à 'ÀHF/10 où 1 ,HF est la longueur d'onde du signal de plus haute fréquence. 9 9. Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes, comprenant une premier plan rayonnant inférieur (110), un deuxième plan rayonnant intermédiaire (111) placé au-dessus du premier plan rayonnant (110) dont il est électriquement isolé, et un troisième plan rayonnant supérieur (112) placé au- dessus du deuxième plan rayonnant (111) dont il est électriquement isolé. 10. Antenne multi-bande comportant des éléments rayonnants selon l'une des revendications précédentes