Brevet FR2980647A1 — publié le 20130329

Antenne ultra-large bande La présente invention se rapporte à une antenne fonctionnant dans une très large bande de fréquence. Les antennes de station de base sont actuellement conçues pour des applications couvrant un domaine de fréquence allant du GSM au DCS/PCS et UMTS. Cependant de nombreux services émergent actuellement comme la LTE (pour "Long Term Evolution" en anglais) pour des fréquences de 700MHz et 2600MHz. Les exigences des clients évoluent en conséquence afin de bénéficier non seulement des services existants mais aussi des nouveaux services qui arrivent sur le marché. En outre, les coûts de fabrication et la pollution visuelle doivent être aujourd'hui pleinement intégrés dans la conception des antennes de station de base. Afin de répondre aux exigences des clients, il y a besoin d'une antenne couvrant toutes les fréquences de fonctionnement et permettant aux OEM et aux transporteurs d'accéder à tous les services avec un minimum de pollution visuelle et de contraintes concernant les systèmes de station de base. De telles antennes exploitant la bande de fréquence couvrant les domaines allant de 700 MHz à 960 MHz et/ou de 1710 MHz à 2700 MHz sont appelés "antennes à ultralarge bande" ("ultrabroadband antennas" en anglais). La principale contrainte en ce qui concerne les antennes à ultra large bande est la largeur de la bande passante pour couvrir le domaine de 1710 MHz-2700 MHz par exemple. La bande passante Af de l'antenne est définie par la relation Af = (fmax - fmin) / fo où fmax est la fréquence de fonctionnement maximale de l'antenne, fi',' est la fréquence de fonctionnement minimale de l'antenne, et fo est la fréquence centrale de fonctionnement, La bande passante Af peut valoir typiquement de 30% à 50%, soit par exemple 600MHz à 1000MHz pour une fréquence centrale fo de 2GHz. Cependant, la largeur de la bande passante n'est pas la seule contrainte à satisfaire. En effet, pour limiter son impacte sur les systèmes des stations de base, l'antenne doit avoir une grande stabilité dans ses performances radiofréquence RF selon la bande de fréquence utilisée. Typiquement les paramètres [S] ("Scattering parameters" en anglais) qui sont les coefficients de répartition de la puissance injectée dans l'antenne, et le diagramme de rayonnement devraient avoir la plus faible variation possible sur la bande de fréquence. C'est un problème technique qui se révèle très difficile à résoudre pour les fabricants d'antennes de stations de base. Pour assurer la stabilité des paramètres [S] et des performances en rayonnement, la solution actuellement proposée par les constructeurs d'antennes de stations de base est d'utiliser un élément rayonnant large bande associé à un réflecteur avec une forme particulièrement étudiée, par exemple un réflecteur plat comportant des parois latérales, un réflecteur parabolique, etc.... Les éléments rayonnants les plus couramment utilisés sont des dipôles ou des éléments rayonnants planaires ("patch" en anglais) superposés. L'utilisation de ce type d'éléments rayonnants avec un réflecteur de forme particulière permet de remplir les spécifications large bande en termes d'impédance et de performances en rayonnement. Cependant, cette solution présente des limitations en ce qui concerne les paramètres [S] et les performances en rayonnement, et ne peut être utilisé pour des applications en ultralarge bande. La présente invention a pour but de proposer une solution qui améliore la stabilité des performances globales d'une antenne RF, en particulier lorsque la bande passante a une largeur importante. L'invention a en particulier pour but de proposer une antenne ultralarge bande qui permet d'obtenir une stabilité de la largeur du faisceau à 3dB très supérieure à ce qui est observé pour les antennes de l'art antérieur. L'objet de la présente invention est une antenne, destinée à émettre et recevoir des ondes radiofréquences dans une bande de fréquence donnée, comportant - au moins un élément rayonnant placé sur un réflecteur plan comprenant un dispositif rayonnant disposé dans un plan parallèle au plan du réflecteur, - au moins une ligne conductrice alimentant l'élément rayonnant, - au moins un élément parasite disposé au-dessus de l'élément rayonnant. L'élément parasite comporte une base à deux dimensions appartenant à un plan parallèle au plan du dispositif rayonnant, associée à une troisième dimension lui conférant une forme volumique. On entend par élément parasite un élément conducteur, disposé au-dessus d'un dispositif rayonnant, qui n'est pas alimenté, ni directement, ni indirectement par l'intermédiaire du dispositif rayonnant. Il est souvent désigné aussi par le terme "directeur". L'addition d'éléments parasites volumiques (3D) au-dessus des dipôles permet d'élargir la bande de fréquence et de maintenir la stabilité des performances de rayonnement sur la totalité de la bande passante. Selon un premier mode de réalisation, l'élément parasite a la forme d'une pyramide tronquée à base carrée et sommet tronqué. Selon un deuxième mode de réalisation, l'élément parasite est composé de quatre ailettes en trois dimensions formant des secteurs de pyramide tronquée, d'angle compris entre 30° et 60°, reliées par leur pointe, les quatre ailettes définissant une base carrée et un sommet tronqué. Selon un troisième mode de réalisation, l'élément parasite est formé de quatre ailettes ayant chacune sensiblement la forme d'un triangle rectangle épointé, qui se rejoignent à angle droit, la base en croix étant définie par les grands côtés des triangles rectangles et le sommet par les angles épointés. Selon une forme d'exécution, la longueur du côté de la base est d'environ 0,2 Xmin, OÙ Xmin est la longueur d'onde de la fréquence minimum de la bande de fréquence. Selon une autre forme d'exécution, la longueur du côté du sommet est d'environ 0,2 Xmax, OÙ Xmax est la longueur d'onde de la plus haute fréquence de la bande de fréquence. Selon un quatrième mode de réalisation, l'élément parasite a la forme d'un cône arrondi porté par un cylindre. Selon une forme d'exécution, le diamètre de la base circulaire est d'environ 0,2 Xmin, OÙ Xmin est la longueur d'onde de la fréquence minimum de la bande de fréquence. Selon un aspect, la hauteur totale de l'élément parasite est comprise entre 0.05 X0 et 0.25 X0, où X0 est la longueur d'onde à la fréquence centrale de 30 fonctionnement. Selon un autre aspect, la distance séparant le plan de la base de l'élément parasite du plan du dispositif rayonnant est d'environ 0,2 X0, où X est la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande de fréquence. La présente invention a comme avantage la stabilité du faisceau sur l'ensemble de la bande de fréquence, l'extension de la bande passante et l'amélioration des performances globales en rayonnement, en particulier la largeur de faisceau de 3 dB et la polarisation croisée à 0° et ± 60°. 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 - les figures 1 a et 1 b illustrent une antenne ultra-large bande selon une première variante d'un premier mode de réalisation, - les figures 2a et 2b illustrent la distribution du courant en fonction de la bande de fréquence dans le cas de l'antenne de la figure 1, - la figure 3 illustre le rapport d'onde stationnaire ROS en fonction de la fréquence f, - la figure 4 illustre la variation de l'ouverture W du faisceau dans le plan horizontal, à -3 dB, en fonction de la fréquence f, - les figures 5a et 5b illustrent une antenne selon une deuxième variante du premier mode de réalisation, - les figures 6a et 6b illustrent une antenne selon une troisième variante du premier mode de réalisation, - les figures 7a et 7b illustrent une antenne selon un deuxième mode de réalisation, - les figures 8a et 8b illustrent une antenne selon un troisième mode de réalisation. Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. Une antenne 1, comprenant des éléments rayonnants 2, selon un premier mode de réalisation de l'invention, est illustrée sur les figures 1a et 1b. La figure la est une vue en perspective de l'antenne 1, et la figure 1 b est une vue en coupe schématique illustrant la superposition des plans. Les éléments rayonnants 2 sont alignés et supportés par un réflecteur 3 qui est plan et muni de parois latérales. L'élément rayonnant 2 comprend deux dipôles 4a, 4b demi-onde croisés à polarisation orthogonale, obtenu par duplication d'un même dipôle par une rotation de 90°. Les dipôles 4a, 4b sont imprimés sur un support 5 composé de deux plans orthogonaux 5a, 5b. Le support 5 est constitué d'un matériau à constante diélectrique élevée Er (1 Un élément parasite 9, ou directeur, est placé au-dessus de l'élément rayonnant 2 parallèlement aux bras 6 des dipôles 4a, 4b comme montré sur la figure 1b. L'élément parasite 9 est conducteur, par exemple en métal. L'élément parasite 9 comporte une base et une troisième dimension lui conférant des propriétés volumiques. La base est à deux dimensions, associée aux deux polarisations, et contenue dans un plan P" parallèle au plan P du dispositif rayonnant constitué par les bras 6 des dipôles 4a, 4b comme le montre la figure 1b de façon schématique. Dans une première variante, les éléments parasites 9 ont la forme d'une pyramide tronquée. Les figures 2a et 2b illustrent la distribution du courant en fonction de la bande de fréquence mettant en évidence la partie de la pyramide concernée en fonction de la fréquence Du côté des plus basses fréquences de la bande de fréquence, la distribution du courant est illustrée sur la figure 2a. L'ensemble, composé de l'élément rayonnant 2 et de l'élément parasite 9 pyramidal, se comporte au point de vue radiofréquence comme si l'élément parasite 9 était réduit à une surface en deux dimensions représentée par la base 20 carrée de la pyramide où se localise l'essentiel du courant. La base 20 est située dans un plan P" parallèle au plan P du dispositif rayonnant représenté par les bras 6 des dipôles 4a, 4b. A l'autre extrémité de plus hautes fréquences de la bande de fréquence, la répartition du courant est illustrée sur la figure 2b. L'ensemble, composé de l'élément rayonnant 2 et de l'élément parasite 9 pyramidal, se comporte aussi comme si l'élément parasite 9 était réduit à une surface en deux dimensions, mais cette surface est alors le sommet tronqué 21 de la pyramide. Le sommet tronqué 21 est contenu dans un plan P"' parallèle au plan P du dispositif rayonnant constitué ici par les bras 6 des dipôles 4a, 4b. La forme pyramidale tronquée permet de relier ces deux surfaces pour l'obtention de performances large bande améliorées en termes d'impédance et de rayonnement. Le sommet tronqué 21 est située dans un plan P"' parallèle au plan P du dispositif rayonnant représenté par les bras 6 des dipôles 4a, 4b. La taille de l'élément parasite 9 est déterminée par la bande de fréquence visée pour le fonctionnement de l'antenne. La dimension de la base 20 carrée dépend directement de la fréquence fi',' la plus basse de la bande de fréquence considérée. Le sommet tronqué 21 de l'élément parasite 9 en forme de pyramide dépend de la fréquence fmax la plus élevée de la bande de fréquence. Il faut cependant noter que, même si d'une part le sommet tronqué 21 a une faible influence radiofréquence dans le bas de la bande de fréquence et d'autre part l'influence radiofréquence de la base 20 carrée est faible dans le haut de la bande de fréquence, tout le volume de l'élément parasite 9 en trois dimensions (3D) contribue au comportement radiofréquence et à la réalisation des performances de l'antenne 1. Dans cette variante, la longueur du côté de la base carrée 20 est d'environ 0,2 Xi',' où Xi',' est la longueur d'onde de la fréquence minimum fm,' de la bande de fréquence. La longueur du côté du sommet tronqué 21 est d'environ 0,2 -max - où - - X max est la longueur d'onde de la plus haute fréquence fmax de la bande de fréquence. La hauteur H de l'élément parasite 9 en forme de pyramide tronquée est comprise entre 0.05 X0 et 0.25 X0, où X0 est la longueur d'onde à la fréquence centrale fo de fonctionnement. La distance séparant le plan P du dispositif rayonnant du plan P" de la base 20 de l'élément parasite 9 est d'environ 0,2 X0 où X0 est la longueur d'onde de la fréquence centrale fo de la bande de fréquence. Sur la figure 3, on a illustré le rapport d'onde stationnaire ROS (ou "VSWR" pour "Voltage Standing Wave Ratio" en anglais), porté en ordonnée, en fonction de la fréquence y en GHz en abscisse. Les courbes 30 et 31 sont obtenues avec l'antenne de la figure 1 comportant des éléments parasites 3D, pour les deux ports +45° et -45° respectivement. La combinaison de l'élément rayonnant avec un élément parasite 3D permet d'obtenir une impédance large bande fonctionnant avec un rapport d'onde stationnaire ROS inférieur à 1,5 pour une application à la bande passante 1,7-2,7 GHz (45 % de la bande de fréquence). La figure 4 est une illustration de la variation de l'ouverture W du faisceau dans le plan horizontal, à -3 dB, donnée en degrés en ordonnée en fonction de la fréquence f en GHz en abscisse. Les courbes 40 et 41 sont obtenues avec une antenne de l'art antérieur ne comportant pas d'élément parasite volumique 3D, mais comportant par exemple un élément parasite plan 2D. Un élément parasite plan est un élément parasite dont deux dimensions sont très supérieures à la troisième, la troisième dimension étant négligeable, par exemple un élément parasite imprimé sur un support. Les courbes 40 et 41 sont données pour les 2 ports +45° et -45° respectivement, et pour une valeur nulle de l'inclinaison ("tilt" en anglais). Les courbes 42 et 43 sont obtenues avec l'antenne de la figure 1 comportant des éléments parasites volumiques 3D, pour les deux ports +45° et -45° respectivement, pour une valeur nulle de l'inclinaison. La comparaison des courbes 40 et 42 et des courbes 41 et 43 montre que l'ouverture W à -3dB du faisceau de l'antenne est très différente entre les deux antennes pour les fréquences les plus élevée de la bande de fréquences. L'antenne de la figure 1 comportant des éléments parasites volumiques 3D a une stabilité de l'ouverture du faisceau notamment dans le domaine des fréquences élevées qui est très supérieure à celle observée pour une antenne de l'art antérieur. L'amélioration de la polarisation croisée à 0° et à ±60 doit être également soulignée. Une deuxième variante de ce premier mode de réalisation est illustrée par les figures 5a et 5b. La figure 5a est une vue en perspective et la figure 5b est une vue en coupe schématique illustrant la superposition des plans. Un élément rayonnant 50 comporte des dipôles 4 imprimés sur un support 5 comme décrit précédemment. Les bras 6 des dipôles 4 constituent un dispositif rayonnant disposé dans un plan P parallèle au plan P' du réflecteur 3 comme le montre la figure 5b de façon schématique. Un élément parasite 51 est disposé au-dessus de l'élément rayonnant 50. Dans cette deuxième variante, l'élément parasite 51 est un volume à trois dimensions ayant la forme d'un cône arrondi 52 porté par un cylindre 53. La base circulaire du cylindre 53 est située dans un plan P" parallèle au plan P du dispositif rayonnant constitué par les bras 6 des dipôles 4 comme montré sur la figure 5b. Le diamètre de la base circulaire est d'environ 0,2 Xi',' où Xmin est la longueur d'onde de la fréquence minimum fi',' de la bande de fréquence. La hauteur totale H de l'élément parasite 51, c'est-à-dire du cylindre surmonté du cône arrondi, est comprise entre 0.05 X0 et 0.25 X0, où X0 est la longueur d'onde à la fréquence centrale fo de fonctionnement. Les figures 6a et 6b illustrent une troisième variante de ce premier mode de réalisation. La figure 6a est une vue en perspective et la figure 6b est une vue en coupe schématique illustrant la superposition des plans. Un élément rayonnant 60 comporte des dipôles 4 imprimés sur un support 5 comme décrit précédemment. Les bras 6 des dipôles 4 constituent un dispositif rayonnant disposé dans un plan P parallèle au plan P' du réflecteur 3 comme le montre la figure 6b de façon schématique. Un élément parasite 61 est disposé au-dessus de l'élément rayonnant 60. Dans cette troisième variante, l'élément parasite 61 à trois dimensions est formé de quatre ailettes 62, ayant chacune sensiblement la forme d'un triangle rectangle épointé, qui se rejoignent à angle droit. La base en croix de l'élément parasite 61, définie par les grands côtés des triangles rectangles, est située dans un plan P" qui est parallèle au plan P du dispositif rayonnant constitué par les bras 6 des dipôles 4. Le sommet 63, défini par les angles épointés des triangles rectangles est contenu dans un plan P"' parallèle au plan P du dispositif rayonnant constitué ici par les bras 6 des dipôles 4. La longueur du grand côté d'un triangle rectangle est d'environ 0,1 Xi',' où Xmin est la longueur d'onde de la fréquence minimum fi',' de la bande de fréquence. La surface globale de la base en croix est d'environ 0,2 Xmin X 0,2 La hauteur H de l'élément parasite 61 est comprise entre 0.05 Xo et 0.25 Xo, où Xo est la longueur d'onde à la fréquence centrale fo de fonctionnement. Un deuxième mode de réalisation est illustré par les figures 7a et 7b. La figure 7a est une vue en perspective et la figure 7b est une vue en coupe schématique illustrant la superposition des plans. Un élément rayonnant 70 comporte, sur un réflecteur 71 muni de pièges latéraux 72, une antenne planaire 73 ("patch antenna" en anglais) qui est une antenne plane dont le dispositif rayonnant est une surface conductrice séparée d'un plan conducteur par une couche diélectrique. L'antenne planaire 73, imprimée sur un substrat diélectrique 74, est alimentée par couplage électromagnétique avec une ligne d'alimentation 75 au travers de fentes croisées 76 ménagées dans un support conducteur servant de plan de masse 77 ("ground plane" en anglais) à l'antenne planaire 73. La ligne d'alimentation 75 de type microruban ("microstrip" en anglais) est imprimée sur un support diélectrique 78 et placée en-dessous des fentes croisées 76. L'antenne planaire 73 constitue un dispositif rayonnant plan disposé dans un plan P parallèle au plan P' du réflecteur 71 comme le montre la figure 7b de façon schématique. L'antenne planaire 73 supportée par le substrat diélectrique 74 peut être disposée au plus près des fentes croisées 76 ou bien en être écartée au moyen d'entretoises diélectriques, par exemple.des colonnettes en matière plastique. Un élément parasite 79 en forme de pyramide tronquée à base 80 carrée, analogue à celui de la figure 1 a, est disposé au-dessus de l'antenne patch 73. La base 80 est contenue dans un plan P" parallèle au plan P du dispositif rayonnant constitué par l'antenne patch 73, et le sommet tronqué 81 est contenu dans un plan P"' parallèle au plan P du dispositif rayonnant constitué ici par l'antenne patch 73 comme le montre la figure 7b de façon schématique. Dans cette variante, la longueur du côté de la base carrée 80 est d'environ 0,2 Xi',' où Xi',' est la longueur d'onde de la fréquence minimum fm,' de la bande de fréquence. La longueur du côté du sommet tronqué 81 est d'environ 0,2 -max - où - - X. max est la longueur d'onde de la plus haute fréquence fmax de la bande de fréquence. La hauteur H de l'élément parasite 79 en forme de pyramide tronquée est comprise entre 0.05 X0 et 0.25 X0, où X0 est la longueur d'onde à la fréquence centrale fo de fonctionnement. On considérera maintenant les figures 8a et 8b qui illustrent un troisième mode de réalisation. La figure 8a est une vue en perspective et la figure 8b est une vue en coupe schématique illustrant la superposition des plans. Un élément rayonnant 90, dit de type « papillon », est fixé sur un réflecteur 91 et formé de deux dipôles 92, 93 croisés à polarisation orthogonale ± 45°. Chaque dipôle 92, 93 comprend deux bras 92a, 92b et 93a, 93b respectivement, portés par une portion du pied 94. Chacun des bras 92a, 92b et 93a, 93b forme un V, les bras 92a, 92b et 93a, 93b se rejoignent par la pointe du V. Les bras 92a, 92b et 93a, 93b des dipôles 92, 93 constituent un dispositif rayonnant disposé dans un plan P parallèle au plan P' du réflecteur 91 comme le montre la figure 8b de façon schématique. Un élément parasite 95 volumique est disposé au-dessus de l'élément rayonnant 90. L'élément parasite 95 est composé de quatre ailettes 96a, 96b, 96c et 96d en trois dimensions. Les ailettes 96a- 96d forment des secteurs de pyramide tronquée, d'angle compris entre 30° et 60°, reliées par leur pointe et dont la base est située dans un plan parallèle aux bras 92a, 92b, 93a, 93b des dipôles 92, 93. Les quatre ailettes 96a-96d définissent une base carrée dont le côté a une longueur d'environ 0,2 Xi',' où Xi',' est la longueur d'onde de la fréquence minimum fi',' de la bande de fréquence. Les extrémités tronquées des ailettes 96a-96d définissent un sommet dont la longueur du côté est d'environ 0,2 / -max, OÙ Xmax est la longueur d'onde de la plus haute fréquence fmax de la bande de fréquence. La hauteur H de l'élément parasite 95 est comprise entre 0.05 X0 et 0.25 X0 où X0 est la longueur d'onde à la fréquence centrale fo de fonctionnement. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. En particulier, on pourra sans sortir du cadre de l'invention modifier la forme du volume de l'élément parasite et utiliser tout type de l'élément rayonnant. REVENDICATIONS1. Antenne, destinée à émettre et recevoir des ondes radiofréquences dans une bande de fréquence donnée, comportant - au moins un élément rayonnant (2, 50, 60, 70, 90) placé sur un réflecteur (3, 71, 91) plan comprenant un dispositif rayonnant (6, 73, 92a, 92b, 93a, 93b) disposé dans un plan P parallèle au plan P' du réflecteur (3, 71, 91), - au moins une ligne conductrice (8, 75) alimentant l'élément rayonnant (2, 50, 60, 70, 90), - au moins un élément parasite (9, 51, 61, 79, 95) disposé au-dessus de l'élément rayonnant (2, 50, 60, 70, 90), caractérisée en ce que l'élément parasite (9, 51, 61, 79, 95) comporte une base (20, 80) à deux dimensions appartenant à un plan -P" parallèle au plan P du dispositif rayonnant (6, 73, 92a, 92b, 93a, 93b), associée à une troisième dimension lui conférant une forme volumique. 2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle l'élément parasite (9) a la forme d'une pyramide tronquée à base (20) carrée et sommet tronqué (21). 3 Antenne selon la revendication 1, dans laquelle l'élément parasite (95) est composé de quatre ailettes (96a, 96b, 96c, 96d) en trois dimensions formant des secteurs de pyramide tronquée, d'angle compris entre 30° et 60°, reliées par leur pointe, les quatre ailettes (96a, 96b, 96c, 96d) définissant une base carrée et un sommet tronqué. 4. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle l'élément parasite (61) est formé de quatre ailettes (62) ayant chacune sensiblement la forme d'un triangle rectangle épointé, qui se rejoignent à angle droit, la base en croix étant définie par les grands côtés des triangles rectangles et le sommet (63) par les angles épointés. Antenne selon l'une des revendications 2 à 4, dans laquelle la longueur du côté de la base est d'environ 0,2 où 1,;tiu est la longueur d'onde de la fréquence minimum de la bande de fréquence. Doctemtl 06. Antenne selon l'une des revendications 2 à 5, dans laquelle la longueur du côté du sommet est d'environ 0,2 ?.max, où Xmax est la longueur d'onde de la plus haute fréquence de le bande do fréquence. 7 Antenne selon la revendication 1, dans laquelle l'élément parasite (51) a la forme d'un cône arrondi (52) porté par un cylindre (53). Antenne selon la revendication 7, dans laquelle le diamètre de la base circulaire est d'environ 0,2 X,',,, où est la longueur d'onde de la fréquence minimum de la bande de fréquence. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la hauteur 10 totale de l'élément parasite (9, 51, 61, 79, 95) est comprise entre 0.05 10 et 0.25 ?Lo où lto est la longueur d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement. 10. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la distance séparant le plan P" de la base de l'élément parasite (0, 51, 61, 79, 95) du plan P du dispositif rayonnant (6, 73, 92a, 92b, 93a, 93b) est d'environ 0,2 ?,.0, où A.0 est 15 la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande de fréquence. DOC u I 1