Brevet FR2938981A1 — publié le 20100528

Dispositif de couplage et de fixation d'un élément rayonnant d'antenne et procédé d'assemblaqe d'une antenne. La présente invention concerne le domaine des antennes de télécommunications transmettant des ondes radioélectriques dans le domaine des hyperfréquences au moyen d'éléments rayonnants. La présente invention se rapporte plus particulièrement à un dispositif permettant le couplage et la fixation de manière rapide, fiable et bon marché d'un élément rayonnant sur un support métallique plan au cours de l'assemblage d'une antenne. Elle s'étend en outre à une antenne comportant un tel dispositif et au procédé 10 d'assemblage d'une telle antenne. La réalisation d'une antenne comporte des étapes de fixation mécanique de ses composants les uns aux autres. Aujourd'hui, la plupart des fabricants d'antennes utilisent un assemblage mécanique comportant un châssis constituant un axe mécanique central sur lequel sont fixés tous les autres composants, tels que des éléments rayonnants, des 15 diviseurs de puissance, des déphaseurs, des parois réfléchissantes, des éléments parasites, etc... Une fois tous les éléments assemblés autour du châssis, l'ensemble est entouré d'un radome. Afin de supporter les efforts mécaniques dus au poids des composants et à l'environnement, ce châssis est fabriqué à partir d'un matériau métallique ayant une 20 dureté et une épaisseur suffisantes. Cette contrainte initiale limite les choix mécaniques ultérieurs. Elle impose que les compromis dans la conception, notamment entre les facteurs de nature électrique et mécanique et le coût de fabrication, soient principalement guidés par les exigences mécaniques en vue d'assurer la stabilité des performances. Par exemple, une antenne d'environ 2 m de long travaillant dans une 25 bande de fréquences autour de 2 GHz comporte un châssis d'aluminium ayant une épaisseur comprise entre 1,5 mm et 2,5 mm. Alors que si l'on ne tient compte strictement que de la profondeur liée à l'effet de peau dans le domaine de fréquence, l'épaisseur requise ne serait que de moins de 0,1 mm. La présence de connexions métalliques et leur positionnement entre les composants obliger à choisir des solutions mécaniques 30 comme le vissage ou la soudure. Ces techniques d'assemblage induisent des coûts supplémentaires, en particulier à cause du temps requis pour effectuer l'opération et par la nécessité d'un contrôle poussé de la qualité de la liaison réalisée, et elles rendent le désassemblage périlleux voire impossible. Autrement, à cause de la dégradation inévitable des contacts électriques, l'antenne pourrait être confrontée à des problèmes de produits d'intermodulation (PIM) qui traduisent une distorsion des signaux transitant par l'antenne, tel que la perte de performances si ces dégradations surviennent aux endroits où les champs électromagnétiques sont intenses. Les antennes panneaux comportent un réseau d'éléments rayonnants, qui peuvent être des dipôles, fixés sur un châssis métallique qui est un réflecteur plan. Le problème est donc de trouver un dispositif permettant de réaliser le positionnement et la fixation de ces dipôles sur le châssis de manière rapide, fiable, réversible et bon marché afin d'obtenir une liaison qui soit mécaniquement et électriquement efficace et débarrassée des produits d'intermodulation. La solution recherchée doit notamment tenir compte simultanément des exigences suivantes : - éviter le vissage et/ou la soudure pour effectuer l'assemblage mécanique des dipôles et du réflecteur ; - réaliser des connexions électriques de type capacitif, c'est-à-dire sans contact direct métal-métal. Le document US-6,933,906 décrit une antenne comprenant un dipôle relié sans contact par voie capacitive à un réflecteur au moyen d'une structure de couplage et de fixation non électriquement conductrice disposée entre le pied de l'élément rayonnant et le réflecteur. La structure de couplage et de fixation est un bouchon en matériau diélectrique. La base du dipôle est insérée et maintenue dans le bouchon muni de reliefs qui est ensuite ancré par rotation dans un orifice de forme et de dimension correspondantes ménagé dans le réflecteur. Pour maintenir le bouchon en place, des moyens de fixation additionnels sont prévus tels que des vis insérées dans un trou du bouchon en plastique et dans un trou du réflecteur en veillant à ne pas établir de connexion électrique avec le dipôle. Cependant cette structure de couplage et de fixation présente l'inconvénient de nécessiter encore l'utilisation de moyens de fixation par vissage pour assurer la fiabilité de la fixation, notamment pour éviter la rotation du bouchon et son désengagement de l'orifice. En outre un tel assemblage est pénalisant au point de vue de la surface de couplage. En effet la surface importante occupée par l'orifice ménagé dans le réflecteur, de surface au moins égale à celle du bouchon, réduit d'autant la surface de couplage entre le réflecteur et le dipôle. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients de l'art antérieur, et en particulier de proposer un dispositif de couplage et de fixation d'un élément rayonnant sur un support métallique plan de telle sorte que la surface de couplage soit maximisée. . La présente invention a aussi pour but de proposer un dispositif de couplage et de fixation d'un élément rayonnant sur un support métallique plan ne nécessitant pas de recours au vissage ou à la soudure. La présente invention a aussi pour but de proposer une antenne comprenant des éléments rayonnants fixés sur un support métallique plan dont l'épaisseur du support est moindre que dans l'art antérieur sans compromettre la tenue mécanique de l'antenne. La présente invention a encore pour but de proposer un procédé de couplage et 15 de fixation d'un élément rayonnant sur un support métallique plan qui soit plus rapide et cependant aussi fiable que les procédés antérieurs. L'objet de la présente invention est un dispositif de couplage et de fixation d'un élément rayonnant d'antenne, comprenant un pied surmonté d'un dipôle, sur un support conducteur plan muni d'un orifice. Le dispositif comporte une pièce diélectrique 20 comprenant : - une base de dimension supérieure à la dimension de l'orifice ménagé dans le support, - au moins une tige solidaire de la base et se projetant dans une direction perpendiculaire au plan de la base, - au moins une protubérance ménagée à l'extrémité de la tige apte à coopérer avec 25 l'élément rayonnant pour le retenir, Le dispositif comporte en outre une couche diélectrique disposée entre l'élément rayonnant et le support conducteur pour éviter tout contact direct. La présence d'une couche diélectrique entre l'élément rayonnant et le support permet de garantir l'isolation électrique, et ainsi de créer un couplage capacitif entre 30 l'élément rayonnant et le réflecteur. La pièce diélectrique, n'ayant plus à assurer cette fonction, peut ainsi être optimisée vis à vis de sa mise en place et de la facilité de fixation de l'élément rayonnant. Selon un mode de réalisation préféré, la base de la pièce diélectrique comprend à sa périphérie des pétales fléchis adaptés pour permettre un contact ressort avec le support. Le bord périphérique de la base est découpé pour former des pétales qui sont légèrement repliés afin de se projeter hors du plan de la base. Lors de la mise en place de la pièce diélectrique, les pétales viennent les premier en appui sur le support, assurant un effet ressort qui contribue à maintenir l'élément rayonnant dans la position souhaitée. Selon une forme d'exécution, la base de la pièce diélectrique comprend au moins un orifice pour le passage d'un moyen d'alimentation électrique de l'élément rayonnant. Ceci permet le passage des moyens d'alimentation sous le support pour dégager la face du support supportant les éléments rayonnants et formant réflecteur. Le support comporte dans ce cas également des orifices pour le passage des moyens d'alimentation. Selon une première variante, la pièce diélectrique comporte au moins une tige apte à coopérer avec l'extérieur du pied de l'élément rayonnant. La tige se projette perpendiculairement à la base de la pièce diélectrique traverse le support par un orifice de taille adaptée. La tige vient se placer le long de l'extérieur du pied de manière à permettre à la protubérance portée par son extrémité de s'ancrer sur une aspérité ménagée à cet effet sur la surface extérieure du pied afin de retenir l'élément rayonnant. Selon une deuxième variante, la pièce diélectrique comporte au moins une tige apte à s'insérer à l'intérieur d'un tube creux disposé dans le pied de l'élément rayonnant. La tige se projette perpendiculairement à la base de la pièce diélectrique traverse le support par un orifice de taille adaptée. La tige vient s'insérer dans l'un des tubes creux ménagés dans le pied de l'élément rayonnant de manière à permettre à la protubérance portée par son extrémité de s'ancrer sur une aspérité ménagée à cet effet sur la surface intérieure du tube afin de retenir l'élément rayonnant. Selon encore une forme d'exécution, la protubérance à l'extrémité de la tige a une forme de crochet. Cette forme lui permet de coopérer au mieux avec une aspérité qui peut avoir la forme d'un relief ou d'un logement de forme adaptée à celle du crochet. L'invention a pour avantage d'assurer un positionnement exact de l'élément rayonnant par rapport au réflecteur en interdisant sa rotation et de garantir sa fixation en exerçant une force axiale de rétention sur l'élément. L'invention a aussi pour objet une antenne de type panneau comportant 5 - au moins un élément rayonnant comprenant un pied surmonté d'un dipôle, - un dispositif de couplage et de fixation d'un élément rayonnant comme décrit précédemment, - un support conducteur plan comportant au moins un orifice adapté pour le passage de la tige de la pièce diélectrique. 10 L'antenne selon l'invention a l'avantage de pouvoir être assemblée rapidement avec une grande fiabilité tout en nécessitant des moyens humains et matériels réduits. De préférence l'antenne comporte en outre un raidisseur disposé entre les bords longitudinaux du support. L'invention a encore pour objet un procédé d'assemblage d'une antenne au 15 moyen d'un dispositif de couplage et de fixation d'un élément rayonnant comme décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes : - on introduit la tige de la pièce diélectrique dans l'orifice du support de manière à amener la base de la pièce diélectrique en contact avec la face arrière du support, - on enfonce axialement le pied de l'élément rayonnant dans la pièce 20 diélectrique du côté de la face avant du support, de manière à ce que la protubérance portée par l'extrémité de la tige coopère avec au moins une aspérité du pied afin de retenir l'élément rayonnant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours des exemples suivants de réalisation, donnés bien entendu à titre illustratif et non 25 limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un premier mode de réalisation de l'assemblage d'un élément rayonnant d'une antenne par le procédé et au moyen du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un deuxième mode de 30 réalisation de l'assemblage d'un élément rayonnant d'une antenne par le procédé et au moyen du dispositif selon l'invention, - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un troisième mode de réalisation de l'assemblage d'un élément rayonnant d'une antenne par le procédé et au moyen du dispositif selon l'invention, - la figure 4 est une vue schématique de dessus en perspective d'une pièce 5 diélectrique du dispositif selon le troisième mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 est une vue schématique de dessous d'une pièce diélectrique du dispositif selon le troisième mode de réalisation de l'invention, - la figure 6 est une vue schématique de dessus en perspective d'une portion d'antenne selon un mode de réalisation de l'invention, 10 - la figure 7 est une vue schématique de dessous en perspective de l'antenne de la figure 6, - la figure 8 est une vue schématique de dessus en perspective d'une portion d'antenne montrant un autre mode de réalisation d'un raidisseur. Dans le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1, on a représenté 15 un élément rayonnant 1, comportant un pied 2 supportant au moins un dipôle 3, et un réflecteur 4 sur lequel l'élément rayonnant 1 est fixé au moyen d'une pièce diélectrique 5. La pièce diélectrique 5 comprend une base 6 surmontée de tiges 7 portant des reliefs 8 formant crochets, la périphérie de la base 6 étant découpée pour former des pétales 9 légèrement fléchis. La base 6 de la pièce diélectrique 5 est appliquée sur la face 20 arrière 10 du réflecteur 4. Le réflecteur 4 comporte des orifices 11 au travers desquels les tiges 7 sont introduites. Ces orifices 11 ont une dimension juste nécessaire au passage des tiges 7 surmontées de leur relief 8. Dans le cas présent, la partie inférieure du pied 2 de l'élément rayonnant 1 comporte un décrochement 12 constituant une aspérité sur laquelle le relief 8 s'accroche pour retenir l'élément rayonnant 1. 25 La pièce 5 est constituée d'un matériau diélectrique qui lui confère une certaine souplesse, de préférence un polymère comme un polyoxyméthylène (POM), un polyoxyméthylène (POM) renforcé de fibres de verre, un polyéthylène (PE), un polystyrène (PS), un acrylonitrile/butadiène/styrène (ABS), un copolymère acrylonitrile/styrène/acrylate (ASA), etc.... La périphérie de la base 6 est découpée de 30 manière à former des pétales 9 légèrement fléchis qui sont relativement plus flexibles que la partie centrale 13 de la base 6. La base 6 se trouve ainsi en appui élastique sur la face arrière 10 du réflecteur 4 par l'intermédiaire de ses pétales 9. Cet appui élastique exerce une force sur le crochet 8 qui assure le maintien de l'élément rayonnant 1 par effet ressort. Une fois en place, l'élément rayonnant 1 est fermement maintenu et l'assemblage ne nécessite aucun moyen de fixation supplémentaire. Une couche isolante 14 est intercalé entre la partie inférieure du pied 2 de l'élément rayonnant 1 et la face avant 15 du réflecteur 4 afin d'éviter tout contact direct et ainsi créer un couplage capacitif entre l'élément rayonnant 1 et le réflecteur 4. La couche diélectrique 14 est par exemple une film mince isolante en polyéthylène (PE) ayant une épaisseur de l'ordre de 0,1 mm. On utilisera de préférence un film coloré pour faciliter les contrôles. Le pied 2 de l'élément rayonnant 1 comporte le plus souvent quatre tubes creux 20 juxtaposés destinés au passage des fils conducteurs 16 d'alimentation électrique des dipôles 3. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, deux tubes 20 inutilisés pour l'alimentation du dipôle 3 sont disponibles pour recevoir des tiges 21 portant une protubérance 22 appartenant à une pièce diélectrique 23. La pièce diélectrique 23 comprend une base 24 surmontée de tiges 21 portant des protubérances 22 formant crochets. Les tiges 21 sont disposées de manière plus centrale sur la base 24 que dans le cas précédent de manière à correspondre à l'emplacement des tubes 20 dans lesquels elles s'insèrent. Un décrochement 25 a été ménagé sur la face interne des tubes 20 de manière à former une aspérité sur laquelle la protubérance 22 peut venir s'accrocher. On considérera maintenant la figure 3 qui illustre un mode de réalisation avantageux du dispositif de fixation selon la présente invention. Dans ce mode de réalisation, un élément rayonnant 1, comportant un pied 2 et au moins un dipôle 3, est fixé sur un réflecteur plan 4 au moyen d'une pièce diélectrique 30. La pièce diélectrique 30 est représentée vue en perspective sur la figure 4 et vue de dessus sur la figure 5. La pièce diélectrique 30 comporte une base 31 d'où partent au moins une tige centrale 32, deux dans le cas présent, et au moins une tige périphérique 33, quatre dans le cas présent. La tige périphérique 33 est munie d'une extrémité formant crochet 34 qui coopère avec un relief 35 aménagé sur le pied 2 de l'élément rayonnant. Les tiges 33 traverse le réflecteur plan par des orifices 11 dimensionnés au plus juste pour permettre le passage. La tige centrale 32 porte un double crochet 36 à son extrémité. La tige centrale 32 s'insère dans l'un des tubes creux 20 de l'élément rayonnant 1, qui n'est pas occupé par un conducteur d'alimentation 16. Le crochet 36 coopère avec des logements 37 ménagés dans la face interne du tube 20. L'assemblage s'effectue en commençant par la mise en place de la pièce diélectrique 30 par la face arrière 10 du réflecteur 4. Les tiges 32, 33 sont introduites dans les orifices 11 du réflecteur 4. La base 31 est plaquée contre la face arrière 10 du réflecteur 4, la périphérie de la base 31 étant découpée de manière à former des pétales 38 qui s'appuient élastiquement contre la face 10. Un film isolant 14 est déposé sur la face avant 15 du réflecteur 4. Le pied 2 de l'élément rayonnant 1 est alors enfoncé axialement sur la pièce diélectrique 30 de manière à ce que les tiges 32 s'insèrent dans les tubes 20 du pied 2 de l'élément rayonnant, et que les tiges 33 se mettent en place autour du pied 2. Une pression finale permet d'encliqueter les crochets 34, 36 sur les aspérités 35, 37 extérieures ou intérieures du pied 2 afin de retenir l'élément rayonnant 1. L'élément rayonnant 1 se trouve ainsi en appui sur la face avant 15 du réflecteur 4 par l'intermédiaire du film isolant 14 qui interdit tout contact direct entre l'élément rayonnant 1 et le réflecteur 4. Une antenne 60 assemblée selon le procédé qui vient d'être décrit est représentée en perspective sur la figure 6. L'antenne 60 comporte des éléments rayonnants 61 alignés et fixés sur un réflecteur 62 au moyen d'une pièce diélectrique 63 analogue à celle décrite précédemment. La face inférieure 64 du réflecteur 62 de l'antenne 60 est représentée sur la figure 7. On y voit la base 65 de la pièce diélectrique 63 s'appuyant de manière élastique sur la face inférieure 64 du réflecteur 62 par l'intermédiaire des pétales 66 découpés à sa périphérie et légèrement pliés. Ces pétales 66 servent de ressort pour exercer une force de traction sur les protubérances portées par l'extrémité des tiges accrochées aux aspérités du pied de l'élément rayonnant 61. Une force adaptée est exercée sur les éléments rayonnants 61 qui sont ainsi retenus de manière efficace et fiable et ils sont protégés d'un déplacement dû à des chocs ou des vibrations. Sur la face inférieure 64, des raidisseurs 67 ont été installés. Les raidisseurs 67 sont fixés sur les bords longitudinaux 68 repliés opposés de la face inférieure 64 du réflecteur 62 sur lesquels ils exercent une pression modérée de manière à empêcher le rapprochement des bords 68. Le raidisseur 67 comporte une base 69 dont la forme épouse celle du réflecteur 62 et une crête 70 qui se dresse sur la base 69 et contribue à la rigidité du raidisseur 67. Ces raidisseurs 67 sont en un matériau rigide, de préférence diélectrique, tel qu'un polymère comme un polyoxyméthylène (POM), un polyoxyméthylène (POM) renforcé de fibres de verre, un polyéthylène (PE), un polystyrène (PS), un acrylonitrile/butadiène/styrène (ABS), un copolymère acrylonitrile/styrène/acrylate (ASA), etc.... La figure 8 montre un autre mode de réalisation d'un raidisseur 80 placé sur la face supérieure d'un réflecteur 81 supportant des éléments rayonnants 82. Les raidisseurs 80 sont disposé entre les éléments rayonnants 82. Ces raidisseurs 80 ont une forme d'arcs de cercle et s'appuient sur les bords longitudinaux 83 du réflecteur 81. REVENDICATIONS1. Dispositif de couplage et de fixation d'un élément rayonnant d'antenne, comprenant un pied surmonté d'un dipôle, sur un support conducteur plan muni d'un orifice, ledit dispositif comportant une pièce diélectrique, caractérisé en ce que la pièce diélectrique comprend - une base de dimension supérieure à la dimension de l'orifice ménagé dans le support, - au moins une tige solidaire de la base et se projetant dans une direction perpendiculaire au plan de la base, - au moins une protubérance ménagée à l'extrémité de la tige apte à coopérer avec 10 l'élément rayonnant pour le retenir, et en ce que ledit dispositif comporte en outre une couche diélectrique disposée entre l'élément rayonnant et le support conducteur pour éviter tout contact direct. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la base de la pièce diélectrique comprend à sa périphérie des pétales fléchis adaptés pour permettre un contact ressort avec le support. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la base de la pièce diélectrique comprend au moins un orifice pour le passage d'un moyen d'alimentation électrique de l'élément rayonnant. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la pièce diélectrique comporte au moins une tige apte à coopérer avec l'extérieur du pied de l'élément rayonnant. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la pièce diélectrique comporte au moins une tige apte à s'insérer à l'intérieur d'un tube creux disposé dans le pied de l'élément rayonnant. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la protubérance à l'extrémité de la tige a une forme de crochet.2. 3. 4. 5. 6. 7. Antenne de type panneau comportant - au moins un élément rayonnant comprenant un pied surmonté d'un dipôle, - un dispositif de couplage et de fixation d'un élément rayonnant selon l'une des revendications précédentes, - un support conducteur plan comportant au moins un orifice adapté pour le passage de la tige de la pièce diélectrique. 8. Antenne selon la revendication 7, comportant en outre un raidisseur disposé entre les bords longitudinaux du support. 9. Procédé d'assemblage d'une antenne au moyen d'un dispositif de couplage et de fixation d'un élément rayonnant selon l'une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes : - on introduit la tige de la pièce diélectrique dans l'orifice du support de manière à amener la base de la pièce diélectrique en contact avec la face arrière du support, - on enfonce axialement le pied de l'élément rayonnant dans la pièce diélectrique du côté 15 de la face avant du support, de manière à ce que la protubérance portée par l'extrémité de la tige coopère avec au moins une aspérité du pied afin de retenir l'élément rayonnant.