Brevet FR2943465A1 — publié le 20100924

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention est relative aux antennes large bande et plus particulièrement à celles pouvant être montées sur les stations de base d'un réseau de communications sans fil. ETAT DE LA TECHNIQUE L'antenne est un élément incontournable d'un réseau de communications sans fil. On cherche donc des solutions d'antennes particulièrement io performantes, notamment en termes de bande passante et de pureté de rayonnement, et présentant une faible complexité de réalisation. On connaît classiquement des solutions d'antennes de type dipôle montées en regard d'un plan de masse jouant le rôle de réflecteur à une distance égale au quart de la longueur d'onde. 15 Ces dipôles de longueur totale égale à une demi longueur d'onde sont typiquement constitués de deux brins colinéaires et sont excités par l'intermédiaire d'un balun. Les deux brins sont positionnés parallèlement au plan réflecteur. Toutefois, les antennes actuelles ne disposent pas de nombreux 20 degrés de liberté quant à leurs réglages permettant d'obtenir de bonnes performances dans les bandes de fréquence désirées et sont complexes à réaliser. PRESENTATION DE L'INVENTION 25 La présente invention propose une solution d'antenne large bande, comprenant plusieurs degrés de liberté quant à ses réglages et pouvant se réaliser de manière simple et à faible coût. Selon un premier aspect, l'invention concerne une antenne large bande comprenant : un plan de masse ; au moins un ensemble 3o comprenant : une couche de matériau diélectrique disposée perpendiculairement au plan de masse, la couche ayant une épaisseur ; un premier élément métallique disposé sur une face de la couche ; un second élément métallique disposé sur une face de la couche opposée à la face où est disposé le premier élément métallique de manière à ce que les éléments métalliques ne soient pas l'un en face de l'autre ; une ligne d'alimentation associée à un des deux éléments métalliques, la ligne d'alimentation s'étendant à partir du bord de l'élément métallique le plus proche d'un axe de symétrie central de l'antenne vers le plan de masse. L'antenne peut en outre présenter les caractéristiques suivantes : elle comprend un premier ensemble et un second ensemble, les io couches de matériau diélectrique associées à chaque ensemble étant perpendiculaires entre elles ; la ligne d'alimentation est constituée d'un premier tronçon s'étendant de l'élément métallique parallèlement au plan de masse, d'un second tronçon connecté au premier tronçon et 15 s'étendant du premier tronçon perpendiculairement au plan de masse vers le plan de masse ; le second tronçon comprend une première zone et une seconde zone, la seconde zone étant de largeur supérieure à la première zone de manière à assurer une fonction capacitive ; 20 la ligne d'alimentation est venue de matière avec l'élément métallique auquel elle est associée ; les éléments métalliques sont à géométrie choisie parmi le groupe suivant : géométrie rectangulaire ou géométrie de type ailette, étroite à la base connectée au plan de masse et évasée à 25 l'extrémité au dessus du plan de masse ; la couche de matériau de diélectrique est de l'air ou constituée d'un substrat ; les lignes d'alimentations sont connectées à une sonde d'excitation formant moyen d'alimentation de l'antenne. Selon un second aspect, l'invention concerne une station de base comprenant au moins une antenne large bande selon le premier aspect de l'invention. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un premier mode de réalisation d'une antenne io selon l'invention - la figure 2 illustre un second mode de réalisation d'une antenne selon l'invention - la figure 3 illustre un troisième mode de réalisation d'une antenne selon l'invention 15 - les figures 4a et 4b illustrent respectivement les niveaux d'adaptation dans un repère cartésien et sur abaque de Smith pour l'antenne selon le second mode de réalisation de l'invention ; - les figures 5a, 5b et 5c illustrent les diagrammes en co (trait plein) et en cross-polarisation (trait en pointillés) dans le plan E aux 20 fréquences 2 GHz, 2,5 GHz et 3 GHz pour l'antenne selon le second mode de réalisation de l'invention ; - les figures 6a, 6b et 6c illustrent les diagrammes en co (trait plein) et en cross-polarisation (trait en pointillés) dans le plan H aux fréquences 2 GHz, 2,5 GHz et 3 GHz pour l'antenne selon le second 25 mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 illustre le gain obtenu dans la bande 2 GHz à 3 GHz pour l'antenne selon le second mode de réalisation de l'invention ; - les figures 8a et 8b illustrent respectivement les niveaux d'adaptation dans un repère cartésien et sur abaque de Smith pour la 30 première des deux antennes imbriquée selon le troisième mode de réalisation de l'invention ; - les figures 9a, 9b et 9c illustrent les diagrammes en co (trait plein) et en cross-polarisation (trait en pointillés) dans le plan E aux fréquences 2 GHz, 2,5 GHz et 3 GHz pour la première des deux antennes imbriquée selon le troisième mode de réalisation de l'invention - les figures 10a, 10b et 10c illustrent les diagrammes en co (trait plein) et en cross-polarisation (trait en pointillés) dans le plan H aux fréquences 2 GHz, 2,5 GHz et 3 GHz pour la première des deux antennes imbriquée selon le troisième mode de réalisation de io l'invention - la figure 11 illustre le gain de la première des deux antennes imbriquée selon le troisième mode de réalisation de l'invention ; - les figures 12a et 12b illustrent respectivement les niveaux d'adaptation dans un repère cartésien et sur abaque de Smith pour la 15 seconde des deux antennes imbriquée selon le troisième mode de réalisation de l'invention ; - les figures 13a, 13b et 13c illustrent les diagrammes en co (trait plein) et en cross-polarisation (trait en pointillés) dans le plan E aux fréquences 2 GHz, 2,5 GHz et 3 GHz pour la seconde des deux 20 antennes imbriquée selon le troisième mode de réalisation de l'invention - les figures 14a, 14b et 14c illustrent les diagrammes en co (trait plein) et en cross-polarisation (trait en pointillés) dans le plan H aux fréquences 2 GHz, 2,5 GHz et 3 GHz pour la seconde des deux 25 antennes imbriquée selon le troisième mode de réalisation de l'invention - la figure 15 illustre le gain de la seconde des deux antennes imbriquée selon le troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 16 illustre le niveau d'isolation entre les deux antennes 30 imbriquées selon le troisième mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Structure de l'antenne La figure 1 illustre une antenne large bande comprenant un plan PM de masse et au moins deux éléments métalliques 11, 12 connectés au plan PM de masse au niveau de leur base et s'étendant perpendiculairement au plan de masse. Les éléments métalliques ont une faible épaisseur de l'ordre de quelques lm ou dizaines de lm (pour des éléments gravés sur substrat pré-métallisé) voire quelques centaines de lm (pour une réalisation des io éléments en technologie de type motif métallique découpé). L'antenne comprend en outre une ligne d'alimentation 21. Cette ligne d'alimentation est de préférence une ligne micro-ruban 50 SZ de type connu qui utilise l'un des deux éléments métalliques comme plan de masse de référence pour cette ligne. 15 L'antenne comprend un axe A de symétrie central. Les éléments métalliques sont disjoints et l'espace entre eux forme une fente de couplage centrale (la fente est disposée au niveau de l'axe de symétrie centrale de l'antenne). Dans cette antenne on définit un ensemble El formé par les éléments 20 métalliques et la ligne d'alimentation. Cet ensemble El comprend notamment une couche de matériau diélectrique disposée perpendiculairement au plan (PM) de masse. Chaque élément métallique est disposé sur une face de la couche de matériau diélectrique. Les éléments métalliques sont en particulier disposés 25 de telle sorte qu'ile ne soient pas l'un en face de l'autre. L'épaisseur de la couche de diélectrique est de l'ordre de quelques centaines de lm à quelques mm. La ligne d'alimentation est connectée à son extrémité inférieure à une sonde 31 d'excitation qui traverse le plan de masse percé à cet effet. La 30 sonde est de préférence une sonde coaxiale 50 SZ dont le conducteur 32 extérieur est connecté au plan de masse. La ligne d'alimentation est constituée par un premier 21' tronçon s'étendant de l'élément métallique 11 auquel elle est associée parallèlement au plan de masse et d'un second 21" tronçon connecté au premier tronçon s'étendant du premier 21' tronçon perpendiculairement vers le plan de masse. Cette ligne d'alimentation comprend en outre sur le second 21" tronçon une zone 21ù ayant une largeur supérieure à la largeur du premier 21' et du second 21" tronçon de manière à assurer un effet capacitif d'adaptation. Cette zone 21ù est de préférence positionnée à proximité du io point de connexion avec la sonde d'excitation 50 SZ. Les éléments métalliques ainsi que la ligne d'alimentation peuvent être imprimés collectivement sur un substrat diélectrique. Le substrat est bien entendu perpendiculaire au plan de masse et joue le rôle de la couche de matériau diélectrique décrite jusqu'ici. 15 Dans ce cas, l'ensemble formé par l'élément métallique 11 et la ligne d'alimentation est imprimé sur une face du substrat en sorte que l'élément métallique 12 imprimé sur l'autre face fasse office de plan de masse pour la ligne d'alimentation. Premier mode de réalisation 20 Un premier mode de réalisation de l'antenne est illustré sur la figure 1 (décrit de manière générale précédemment). Dans ce mode de réalisation, les éléments métalliques 11, 12 sont rectangulaires. Second mode de réalisation 25 Un second mode de réalisation de l'antenne est illustré sur la figure 2. Dans ce mode de réalisation, les éléments métalliques sont évasés à partir du plan de masse. L'évasement est rectiligne et de préférence perpendiculaire pour le bord le plus près de l'axe A de symétrie central de l'antenne. 30 Les éléments métalliques sont de forme générale trapézoïdale et forment chacun une ailette. De tels éléments métalliques présentent de très nombreuses possibilités pour la géométrie. De manière générale, ces éléments correspondent à des motifs de surface convexe, évasés en allant de leur base vers leur sommet. 5 Troisième mode de réalisation Un troisième mode de réalisation est illustré sur la figure 3. Dans ce mode de réalisation, l'antenne comprend quatre éléments métalliques et l'antenne est de type bipolarisation. Elle comprend notamment un premier El ensemble et un second E2 io ensemble chacun formé par deux éléments métalliques et la ligne d'alimentation associée. Le premier El ensemble correspond à une première P couche de matériau diélectrique et le second ensemble correspond à une seconde couche P' de matériau diélectrique. 15 Les deux couches P, P' de matériau diélectrique sont perpendiculaires entre-elles et les éléments métalliques 11, 12, 13, 14 sur chaque couche sont identiques. Les couches de matériau diélectrique sont en matériaux identiques. En d'autres termes, dans ce mode de réalisation, les éléments 20 métalliques sont imbriqués perpendiculairement au niveau des fentes de couplage centrales, sans aucun contact entre eux. On peut voir ce mode de réalisation comme l'imbrication de deux antennes du second mode de réalisation décrit précédemment. Les éléments métalliques imbriqués sont identiques et seule la 25 position du point de connexion de la ligne d'alimentation sur l'élément métallique coplanaire à cette ligne, ainsi que la position et les dimensions de la zone de ligne capacitive d'adaptation, diffèrent. Les hauteurs distinctes, associées à ces points de connexion sur les éléments, permettent de combiner les deux antennes sans contact électrique 30 entre celles-ci. Vis-à-vis des circuits extérieurs, chaque antenne reste excitée à l'extrémité inférieure de la ligne d'alimentation par un câble coaxial 50 SZ externe, par exemple. Ceci permet de faire fonctionner cette structure suivant deux polarisations linéaires croisées perpendiculairement. Performances Premier prototype Une antenne selon le second mode de réalisation a été réalisée et caractérisée expérimentalement. Cette antenne fonctionne dans une bande de fréquence centrée sur 2,5 GHz. Les deux éléments métalliques ainsi que la ligne d'excitation micro-ruban io 50 SZ supportant le tronçon de ligne capacitive d'adaptation, sont imprimés collectivement sur un substrat diélectrique de permittivité diélectrique sr = 2,55 et d'épaisseur h = 800 �m. Ce substrat est positionné perpendiculairement au plan de masse inférieur de forme carrée, dans lequel a été réalisé un perçage de manière à 15 pouvoir monter le câble coaxial 50 SZ assurant l'alimentation externe de l'antenne. Les figures 4a et 4b donnent les niveaux d'adaptation respectivement dans un repère cartésien et sur abaque de Smith. On peut noter que cette adaptation reste inférieure à -10 dB sur une large bande de fréquence, allant de 2 GHz à plus de 3 GHz, ce qui correspond à une bande passante relative 20 supérieure à 40 %. En ce qui concerne les caractéristiques en rayonnement, les figures 5a, 5b et 5c illustrent les diagrammes en co (trait plein) et en cross-polarisation (trait en pointillés) dans le plan E (c'est-à-dire le plan comprenant le substrat de l'antenne et perpendiculaire au plan de masse), et cela aux 25 fréquences 2 GHz, 2,5 GHz et 3 GHz. Sur ces différentes courbes, on peut constater de bonnes performances en rayonnement en fonction de la fréquence, avec, en particulier, un très faible niveau de cross-polarisation dans l'axe de rayonnement principal de l'antenne (c'est-à-dire dans la direction 15. = 0°). Sur toute la bande 2GHz à 3GHz, ce niveau de cross- 30 polarisation dans l'axe principal reste inférieur de plus de 25dB à celui de co- polarisation. Cette faible valeur de cross-polarisation est par ailleurs maintenue sur un angle d'ouverture dans le plan E relativement important. De même que pour les figures précédentes, les figures 6a, 6b et 6c donnent les diagrammes de rayonnement en co (trait plein) et en cross- polarisation (traits en pointillés) dans le plan H de l'antenne (c'est-à-dire le plan perpendiculaire au substrat de l'antenne et au plan de masse). Dans ce cas, les conclusions sur les niveaux de cross-polarisation sont tout à fait équivalentes aux résultats obtenus dans le plan E. La figure 7 illustre le gain obtenu dans la bande 2 GHz à 3 GHz. Ce io gain présente une valeur maximale de 6,6dBi à une fréquence de 2,2 GHz. Second prototype Un exemple de solution de type bipolarisation, basée sur deux antennes croisées perpendiculairement, comme cela est présenté sur la figure 3, a également été réalisé et caractérisé expérimentalement (voir 15 troisième mode de réalisation). Pour cette structure, l'une des deux antennes, appelée par la suite � première antenne �, est rigoureusement identique à celle décrite dans le second mode de réalisation. L'autre antenne, appelée � seconde antenne �, ne se distingue de la précédente que par une position du point de connexion 20 de la ligne �ruban 50 SZ plus élevée et par une légère modification de la zone de ligne capacitive d'adaptation. En termes de distribution du champ électrique on obtient pour chacune des deux antennes imbriquées la même distribution que pour chaque antenne pris séparément. 25 Dans le cas où seule la première antenne est excitée les figures 8 à 11 illustrent respectivement l'adaptation dans un repère cartésien (figure 8a) et sur abaque de Smith (figure 8b), les diagrammes de rayonnement en co et cross-polarisation dans le plan E (figures 9a, 9b, 9c) et dans le plan H (figures 10a, 10b, 10c) et le gain de l'antenne (figure 11). Comme pour la distribution du champ électrique sur l'antenne, les performances sont tout à fait conformes à celles obtenues pour une seule antenne (voir performance du premier prototype). De manière similaire, dans le cas où seule la seconde antenne est excitée, les figures 12 à 15 illustrent respectivement l'adaptation dans un repère cartésien (figure 12a) et sur abaque de Smith (figure 12b), les diagrammes de rayonnement en co et cross-polarisation dans le plan E (figures 13a, 13b, 13c) et dans le plan H (figures 14a, 14b, 14c) et le gain de l'antenne (figure 15). Même si cette seconde antenne diffère légèrement de la première, les io réponses obtenues sont toujours très conformes à celles illustrées sur les figures 8 à 11. On en conclut que les performances électriques sont donc tout à fait comparables que l'on soit sur l'une ou l'autre polarisation. La figure 16 illustre enfin le niveau de couplage entre la première et la seconde antenne, sur la bande 2GHz à 3GHz. 15 Comme on peut le constater, l'isolation entre les deux antennes reste excellente, puisque, sur l'ensemble de cette bande de fréquence, le couplage demeure toujours inférieur à -30dB. Pour cette structure de type bipolarisation combinant deux antennes, le très fort niveau d'isolation entre celles-ci constitue l'un des avantages 20 majeurs de la solution proposée. L'antenne décrite ci-dessus peut être utilisée dans le cadre d'une station de base d'un réseau de communications sans fil. Ce domaine d'utilisation n'est cependant pas exclusif car cette solution peut trouver des applications dans des secteurs très divers tels que les systèmes antennaires 25 pour liaisons par satellite par exemple. En outre ces applications peuvent fonctionner sur des bandes de fréquence très différentes allant des ondes centimétriques aux ondes millimétriques. REVENDICATIONS1. Antenne large bande comprenant un plan (PM) de masse ; au moins un ensemble comprenant : o une couche (P) de matériau diélectrique disposée perpendiculairement au plan (PM) de masse, la couche ayant une épaisseur ; o un premier élément métallique (11) disposé sur une face de la couche (P) ; o un second élément métallique (12) disposé sur une face de la couche (P) opposée à la face où est disposé le premier élément métallique de manière à ce que les éléments métalliques ne soient pas l'un en face de l'autre ; o une ligne d'alimentation associée à un des deux éléments métalliques, la ligne d'alimentation s'étendant à partir du bord de l'élément métallique le plus proche d'un axe (A) de symétrie central de l'antenne vers le plan (PM) de masse. 2. Antenne selon la revendication 1 comprenant un premier (El) ensemble et un second (E2) ensemble, les couches (P, P') de matériau diélectrique associées à chaque ensemble étant perpendiculaires entre elles. 3. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la ligne d'alimentation est constituée d'un premier tronçon s'étendant de l'élément métallique parallèlement au plan de masse, d'un second tronçon connecté au premier tronçon et s'étendant du premier tronçon perpendiculairement au plan de masse vers le plan de masse. 5 4. Antenne selon la revendication 3 dans laquelle le second tronçon comprend une première zone et une seconde zone, la seconde zone étant de largeur supérieure à la première zone de manière à assurer une fonction capacitive. 5. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la ligne d'alimentation est venue de matière avec l'élément métallique auquel elle est associée. 10 6. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle les éléments métalliques sont à géométrie choisie parmi le groupe suivant : - géométrie rectangulaire ; - géométrie de type ailette, étroite à la base connectée au plan de masse et évasée à l'extrémité au dessus du plan de masse. 15 7. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la couche de matériau de diélectrique est de l'air ou constituée d'un substrat. 8. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle 20 les lignes d'alimentions sont connectées à une sonde (31) d'excitation formant moyen d'alimentation de l'antenne. 9. Station de base d'un réseau de communications sans fil comprenant au moins une antenne selon l'une des revendications 25 précédentes.