Brevet FR2939569A1 — publié le 20100611

Élément rayonnant à double polarisation pour antenne large bande La présente invention se rapporte à une antenne large bande comportant des éléments rayonnants utilisables notamment dans les stations de base des réseaux de radiocommunication cellulaires. Elle s'étend en outre au procédé de fabrication de ces 5 éléments. Un élément rayonnant à double polarisation peut être formé de deux dipôles rayonnants, chaque dipôle étant constitué par deux brins de conducteurs colinéaires. La longueur de chaque brin est sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de travail. Les dipôles sont montés sur une structure permettant leur alimentation et leur to positionnement au-dessus d'un réflecteur (plan-masse). Ceci permet, par réflexion du rayonnement arrière des dipôles, d'affiner la directivité du diagramme de rayonnement de l'ensemble ainsi formé. Selon leur orientation dans l'espace, les dipôles peuvent rayonner ou recevoir des ondes électromagnétiques suivant deux voies de polarisation, par exemple une voie de polarisation horizontale et une voie de polarisation verticale, ou 15 encore deux voies de polarisation orientées à +/- 45° par rapport à la verticale. Pour réaliser une antenne bi-bande fonctionnant dans deux bandes de fréquence distinctes et à polarisations orthogonales, deux configurations sont communément employées. La première méthode dite colinéaire (ou concentrique) consiste en un 20 alignement d'éléments rayonnants dans laquelle on dispose concentriquement des éléments rayonnants formés par quatre dipôles disposés en quadrature, opérant sur une première bande de fréquence, autour des éléments rayonnants formés par deux dipôles croisés opérant sur une deuxième bande de fréquence. L'alignement étant placé au-dessus du réflecteur dans un châssis unique. 25 La deuxième méthode dite �side by side � consiste en un premier alignement d'éléments rayonnants formés par deux dipôles orthogonaux croisés opérant sur une première bande de fréquence et un deuxième alignement d'éléments rayonnants formés par deux dipôles orthogonaux croisés opérant sur une deuxième bande de fréquence. Les deux rangées sont parallèles et placées à une distance au moins égale à une 30 demi-longueur d'onde pour la bande de fréquence la plus élevée. Pour améliorer les performances d'une telle antenne bi-bande ou mufti-bande, il est nécessaire d'augmenter la largeur de la bande de fréquence de chaque série d'éléments rayonnants, et simultanément de diminuer le couplage entre les rangées d'éléments rayonnants. Le découplage inter-bande dépend de la distance séparant les éléments rayonnants et de l'orientation relative des éléments rayonnants les uns par rapport aux autres. Pour améliorer le découplage entre deux rangées d'éléments placés dans le même châssis, on a par exemple proposé - l'utilisation d'éléments bi-bande concentriques, - l'augmentation de la distance inter-éléments séparant deux alignements verticaux d'éléments rayonnants en configuration dite �side by side �. Il a aussi été proposé des éléments rayonnants d'antenne multi-bande comprenant un support diélectrique à forte constante diélectrique dans le but de réduire les dimensions de l'élément rayonnant, sur lequel a été déposée une couche de matériau conducteur présentant un motif fractal. Par ailleurs, pour augmenter la largeur de la bande de fréquence des antennes large bande, on a proposé des solutions telles que la superposition des éléments rayonnants ou l'addition d'éléments parasites judicieusement positionnés. On peut aussi améliorer le système d'alimentation des éléments ou modifier la forme géométrique des éléments rayonnants eux-mêmes (spirale, Log périodique, "Bow Tie", noeud papillon, etc...). Par exemple le document US-6,028,563 décrit un élément rayonnant à double polarisation formé de deux dipôles croisés dit "noeud papillon" (ou "cross bow tie" en anglais) dressés sur un pied reposant sur un réflecteur. Chaque dipôle comporte un bras rayonnant négatif et un bras rayonnant positif de forme générale triangulaire. Les éléments rayonnants peuvent être alignés pour former une antenne. La présente invention a pour but de proposer un élément rayonnant non 25 concentrique ayant une taille réduite, les performances de l'antenne étant améliorées par un meilleur découplage des éléments rayonnants. L'invention a aussi pour but de proposer un élément rayonnant non concentrique fonctionnant sur une large bande de fréquence, les performances de l'antenne étant améliorées par un élargissement de la bande de fréquence. 30 L'invention a encore pour but de proposer une antenne large bande comprenant un tel élément. L'objet de la présente invention est un élément rayonnant d'antenne large bande comportant un pied supportant un plan rayonnant comprenant deux dipôles demi-onde à alimentation symétrique générant une double polarisation linéaire, caractérisé en ce que chacun des bras des dipôles est constitué d'un motif fractal volumique. L'idée principale de l'invention est d'utiliser la propriété d'autosimilarité des motifs fractals dans la conception de la géométrie des dipôles d'un élément rayonnant afin de réduire la taille de l'antenne, la complexité du motif fractal étant invariante par changement d'échelle. Le concept général de la théorie fractale peut être appliqué aux éléments rayonnants d'antenne, notamment à toute forme de dipôle (triangle, carré,...) en utilisant le principe de l'autosimilarité dans la conception de leur structure. Des algorithmes itératifs génèrent des objets fractals sous forme d'images numériques qui peuvent être matérialisé sous forme d'objets physiques. Dans le cas présent on reproduit sur au moins une face d'un demi-dipôle un motif itératif prédéterminé ("loop generator") en appliquant le principe d'autosimilarité par usinage, moulage, etc... Les bras des dipôles sont de préférence en aluminium, en laiton, en "zamac" (alliage à base de zinc) ou en polymère métallisé. Les bras sont de préférence moulés. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant comprend au moins deux plans rayonnants interconnectés superposés. Selon une variante, l'élément rayonnant comporte en outre au moins un plan 20 rayonnant qui n'est pas interconnecté. Selon un deuxième mode de réalisation, l'élément rayonnant comprend une pluralité de plans rayonnants superposés qui ne sont pas interconnectés. Selon un troisième mode de réalisation, les plans rayonnants superposés ont une surface décroissante en s'éloignant du réflecteur. 25 Les deux principales techniques de base utilisées pour la conception des éléments rayonnants fractals sont les suivants: (a) le principe d'autosimilarité géométrique permet un fonctionnement identique dans plusieurs bandes de fréquences, car les différentes parties du dipôle sont semblables les unes aux autres à différentes échelles ; 30 (b) l'augmentation de la complexité des dipôles, qui se traduit par l'usage d'un motif itératif pour refaçonner le profil du dipôle, peut être utilisé pour réduire la taille de l'élément rayonnant. La combinaison du profil refaçonné et de l'autosimilarité conduit à une antenne avec une performance très large bande. II est entendu que seulement l'une ou l'autre des deux techniques peut être utilisée ou les deux simultanément. Les techniques utilisées pour la conception des éléments rayonnants fractals peut être appliquée aux dipôles superposés qu'ils soient interconnectés ou non.. L'invention a aussi comme objet une antenne large bande comprenant des éléments rayonnants alignés, chacun comportant un pied supportant un plan rayonnant comprenant deux dipôles demi-onde à alimentation symétrique générant une double polarisation linéaire, chacun des bras rayonnants des dipôles étant constitué d'un motif 10 fractal volumique. Selon une forme d'exécution de l'invention, les dipôles sont positionnés à une distance d'un quart d'onde par rapport au plan du réflecteur, servant de plan de masse. L'invention a encore comme objet un procédé de fabrication d'un élément rayonnant comportant un pied supportant un plan rayonnant comprenant deux dipôles 15 demi-onde orthogonaux dont chacun des bras est constitué d'un motif fractal volumique, comprenant une étape de moulage du bras ou une étape d'usinage du bras. La présente invention a comme avantage de permettre une réduction du coût de fabrication des éléments rayonnants tout en améliorant leurs performances RF et en réduisant leur taille. 20 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel - la figure 1 représente en perspective un élément rayonnant à double polarisation croisée portant des dipôles construits à partir du motif du tapis de Sierpinski, 25 - la figure 2 montre une vue de dessus d'un élément rayonnant à double polarisation croisée portant des dipôles construits à partir du motif "Cantor Slot Bow Tie" - la figure 3 montre une vue de dessus d'un élément rayonnant à double polarisation croisée portant des dipôles construits à partir du motif de Koch, - la figure 4 montre une vue de dessus d'un élément rayonnant à double 30 polarisation croisée portant des dipôles construits à partir du motif de Minkowski, - la figure 5 montre en perspective un élément rayonnant à double polarisation croisée portant deux plans rayonnants superposés interconnectés construits à partir du motif du tapis de Sierpinski, - la figure 6 montre en perspective un élément rayonnant à double polarisation 5 croisée portant trois plans rayonnants superposés interconnectés construits à partir du motif du tapis de Sierpinski, - la figure 7 montre en perspective un élément rayonnant à double polarisation croisée portant trois plans rayonnants superposés construits à partir du motif du tapis de Sierpinski dont un directeur, 10 - la figure 8 montre en perspective un élément rayonnant à double polarisation croisée portant trois plans rayonnants de taille décroissante superposés interconnectés construits à partir du motif du tapis de Sierpinski, - la figure 9 montre en perspective un élément rayonnant à double polarisation croisée portant trois plans rayonnants superposés non-interconnectés construits à partir 15 du motif du tapis de Sierpinski, - la figure 10 montre en perspective un élément rayonnant à double polarisation croisée portant des dipôles construits à partir du motif de l'éponge de Sierpinski-Menger, - la figure 11 montre en perspective un élément rayonnant à double polarisation croisée portant des dipôles construits à partir du motif inversé de l'éponge de 20 Sierpinski-Menger, - la figure 12 représente une antenne large bande comportant des éléments rayonnants à double polarisation croisée portant des dipôles construits à partir du motif du tapis de Sierpinski. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1, un élément 25 rayonnant 1 est composé d'un pied 2 portant un plan rayonnant comprenant deux dipôles 3, 4 d'une demi-longueur d'onde associés orthogonalement pour obtenir un arrangement en double polarisation croisée. Chaque dipôle 3, 4 comporte respectivement un premier bras 3a, 4a et un second bras 3b, 4b dans le prolongement l'un de l'autre Chaque dipôle 3, 4 est pourvu respectivement d'une alimentation 5, 6 30 équilibrée pour générer une polarisation linéaire. Dans le cas représenté ici, le principe de l'autosimilarité a été appliqué à un élément rayonnant carré, ce qui conduit à des dipôles croisés à double polarisation ayant le motif du tapis de Sierpinski volumique (en trois dimensions). Sur la figure 2 est représenté un exemple d'élément rayonnant 20 du type "noeud papillon" (ou "Bow Tie"). L'élément rayonnant 20 est composé de deux dipôles 21 et 22 dont les bras 21 a, 21 b et 22a, 22b respectifs sont de forme triangulaire. Le principe de l'autosimilarité lui a été appliqué, et conduit à la double croix polarisée d'un élément rayonnant de type "Cantor Slot Bow Tie". Les deux dipôles 21 et 22 sont munis chacun d'une alimentation 23 et 24. Une autre technique utilisée est caractérisée par l'emploi d'un motif itératif ("loop generator") pour réduire la taille du dipôle, tout en améliorant les performances RF de ce dipôle, en particulier en termes de largeur de bande. Les deux motifs itératifs bien connus et utilisés sont le motif de Koch et le motif de Minkowski. Les deux dipôles résultants sont représentés respectivement sur les figures 3 et 4. L'élément rayonnant 30 représenté sur la figure 3 comporte deux dipôles 31 et 32. Les deux dipôles 31 et 32 sont munis chacun d'une alimentation 33 et 34. Chaque dipôle 31, 32 comporte respectivement un premier bras 31a, 32a et un second bras 31 b, 32b dont la forme est obtenue par itération du motif de Koch. L'élément rayonnant 40 représenté sur la figure 4 comporte deux dipôles 41 et 42. Les deux dipôles 41 et 42 sont munis chacun d'une alimentation 43 et 44. Chaque dipôle 41, 42 comporte respectivement un premier bras 41a, 42a et un second bras 41b, 42b dont la forme est obtenue par itération du motif de Minkowski. Une façon d'améliorer la bande passante d'un élément rayonnant est d'empiler verticalement des plans rayonnants de tailles similaires ou différentes. Selon un premier mode de réalisation, ces plans rayonnants peuvent être électriquement interconnectés comme sur les figures 5 et 6. Sur la figure 5, on a représenté un élément rayonnant 50 comportant deux plans rayonnants superposés 51 et 52 interconnectés, portés par un même pied 53. Le plan rayonnant 51 est composé de deux dipôles 54 et 55, surmontés du plan rayonnant 52 composé de deux dipôles 56 et 57, chacun d'une demi-longueur d'onde et associés orthogonalement pour obtenir un arrangement en double polarisation croisée. Chaque bras 54a, 54b, 55a, 55b des dipôles 54 et 55 présente un motif en volume du tapis de Sierpinski. De même chaque bras 56a, 56b, 57a, 57b des dipôles 56 et 57 présente un motif en 3D du tapis de Sierpinski. Sur la figure 6, on a représenté un élément rayonnant composé de trois plans rayonnant superposés 60, 61 et 62 interconnectés, portés par un pied 63 commun. Le plan rayonnant 60 comprend deux dipôles 64, 65, chacun d'une demi-longueur d'onde, associés orthogonalement pour obtenir un arrangement en double polarisation croisée. Les plans rayonnants 61 et 62 qui le surmontent sont respectivement formés de deux dipôles 66, 67 et 68, 69 de manière analogue. Chaque bras 64a, 64b, 65a, 65b des dipôles 64 et 65 présente un motif en 3D du tapis de Sierpinski. De même chaque bras 66a, 66b, 67a, 67b des dipôles 66 et 67 présente un motif en volume du tapis de Sierpinski. De même encore chaque bras 68a, 68b, 69a, 69b des dipôles 68 et 69 présente un motif en volume du tapis de Sierpinski. Selon un deuxième mode de réalisation, ces plans rayonnants peuvent aussi ne pas être tous interconnectés comme sur la figure 7. Dans ce cas le plan rayonnant qui n'est pas interconnecté est appelé "directeur". On a représenté ici deux plans rayonnants superposés 70 et 71 interconnectés portés par un même pied 72, chacun des plans étant composé de deux dipôles 73, 74 et 75, 76, chacun d'une demi-longueur d'onde, associés orthogonalement pour obtenir un arrangement en double polarisation croisée. Un plan rayonnant 77 analogue, qui est appelé le "directeur", leur est superposé qui comprend deux dipôles 78 et 79, non-interconnectés avec les plans 70 et 71. Chaque dipôle 73-76 et 78, 79 comporte deux bras présentant un motif en volume du tapis de Sierpinski. Une autre façon d'améliorer la bande passante du dipôle est d'utiliser une structure fractale en trois dimensions comme représenté sur les figures 8 et 9. Sur la figure 8, on a représenté trois plans rayonnants superposés 80, 81 et 82 interconnectés, de surface décroissante, portés par un pied 83 commun. La fréquence de résonance de chaque plan rayonnant est légèrement décalée, ce qui augmente la largeur de la bande de fréquence. Le plan rayonnant 80 comprend deux dipôles 84, 85, chacun d'une demi-longueur d'onde, associés orthogonalement pour obtenir un arrangement en double polarisation croisée. Les plans rayonnants 81 et 82 qui le surmontent sont respectivement formés de deux dipôles 86, 87 et 88, 89 de manière analogue. Chaque bras des dipôles 84-89 présente un motif en volume du tapis de Sierpinski. Sur la figure 9, on a représenté une variante de réalisation comprenant un élément rayonnant 90 comportant un plan rayonnant 91 porté par un pied 92 et comportant deux dipôles 93 et 94 ayant chacun deux bras 93a, 93b et 94a, 94b respectivement, chaque bras présentant un motif en volume du tapis de Sierpinski. Le plan rayonnant 91 est surmonté d'un second plan rayonnant 95, lui-même surmonté d'un troisième plan rayonnant 96. Les plans rayonnants 91, 93, 94 ne sont pas interconnectés. Chacun des plans rayonnants 95, 96 comprend un directeur carré dont la dimension, sensiblement égale à une demi-longueur d'onde, est décalée par rapport à la dimension du plan rayonnant 91 de manière à augmenter le largeur de bande de l'élément rayonnant. Les directeurs des plans rayonnants 95, 96 présentent un motif en 3D du tapis de Sierpinski. Cette dernière configuration présente l'avantage par rapport aux autres modes de réalisation d'être plus facile à mettre au point. La figure 10 montre en perspective un mode particulier de réalisation d'un élément rayonnant 100 comportant un pied 101 portant deux dipôles 102, 103 à double polarisation croisée portant respectivement des bras 104, 105 et 106, 107 ayant une épaisseur suffisante pour reproduire au moins un motif de l'éponge de Sierpinski-Menger dans chacune des trois dimensions, Le motif fractal 108 est visible sur les grandes faces des bras 104, 105 et 106, 107 comme dans les cas précédents, mais on observe aussi le motif 109 sur la tranche des bras 104, 105 et 106, 107. La figure 11 montre en perspective un élément rayonnant 110 comprenant un pied 111 supportant deux dipôles 112 et 113 muni chacun de deux bras 114, 115 et 116, 117 respectivement. L'élément 110 est analogue à l'élément 100 de la figure 10 à l'exception du fait que les bras sont formés à partir du motif inverse de l'éponge de Sierpinski-Menger. Une antenne 120, comportant un réflecteur 121 portant des éléments rayonnants 122 alignés analogues à ceux de la figure 1, est représentée sur la figure 12. Chaque élément rayonnant comporte un pied 123 et deux dipôles 124 et 125 orthogonaux. Les bras 126, 127 et 128, 129 respectifs des dipôles 124 et 125 reproduisent en volume le motif du tapis de Sierpinski. Des éléments rayonnants d'un type connu peuvent en outre être ajoutés sur le réflecteur, l'antenne selon l'invention fonctionnant alors comme une antenne multi-bande dont une très large bande. Bien entendu, les éléments rayonnants selon l'invention peuvent être mis en oeuvre dans tout type d'antenne quelle que soit leur forme. REVENDICATIONS1. Elément rayonnant d'antenne large bande comportant un pied supportant un plan rayonnant comprenant deux dipôles demi-onde à alimentation symétrique générant une double polarisation linéaire, caractérisé en ce que chacun des bras des dipôles est constitué d'un motif fractal volumique. 2. Elément rayonnant selon la revendication 1, dans lequel les bras des dipôles sont en un matériau choisi parmi l'aluminium, le laiton, le zamac ou un polymère métallisé. 3. Dément rayonnant selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les bras sont moulés. 4. Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins deux plans rayonnants superposés interconnectés. 5. Elément rayonnant selon la revendication 4, comportant en outre au moins un plan rayonnant qui n'est pas interconnecté. 6. Elément rayonnant selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant une pluralité de plans rayonnants superposés qui ne sont pas interconnectés. 7. Elément rayonnant selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel les plans rayonnants superposés ont une surface décroissante en s'éloignant du réflecteur. 8. Antenne large bande comprenant des éléments rayonnants alignés sur un réflecteur comportant un pied supportant un plan rayonnant comprenant deux dipôles demi-onde à alimentation symétrique générant une double polarisation linéaire, caractérisé en ce que chacun des bras rayonnants des dipôles est constitué d'un motif fractal volumique. 9. Antenne large bande selon la revendication 8, dans laquelle les dipôles sont positionnés à une distance d'un quart d'onde par rapport au plan du réflecteur, servant de plan de masse. 9 10. Procédé de fabrication d'un élément rayonnant comportant un pied supportant un plan rayonnant comprenant deux dipôles demi-onde orthogonaux dont chacun des bras est constitué d'un motif fractal volumique, comprenant une étape de moulage du bras ou une étape d'usinage du bras.