EP1849213A1 - Antenne dipole imprimee multibande - Google Patents

Antenne dipole imprimee multibande

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Publication number
EP1849213A1
EP1849213A1 EP06709478A EP06709478A EP1849213A1 EP 1849213 A1 EP1849213 A1 EP 1849213A1 EP 06709478 A EP06709478 A EP 06709478A EP 06709478 A EP06709478 A EP 06709478A EP 1849213 A1 EP1849213 A1 EP 1849213A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
dipole
leg
antenna
dipoles
fcl
Prior art date
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Granted
Application number
EP06709478A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1849213B1 (fr
Inventor
Patrice Brachat
Philippe Ratajczak
Frédéric DEVILLERS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Orange SA
Original Assignee
France Telecom SA
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Filing date
Publication date
Application filed by France Telecom SA filed Critical France Telecom SA
Publication of EP1849213A1 publication Critical patent/EP1849213A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1849213B1 publication Critical patent/EP1849213B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285—Planar dipole
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/30—Combinations of separate antenna units operating in different wavebands and connected to a common feeder system

Definitions

  • the present invention relates to a multi-band printed dipole antenna for a telecommunications signal reception and / or transmission network capable of radiating radio fields in several frequency bands.
  • Such an antenna is for example intended to operate in a first frequency band of a cellular radio communication network according to the DCS-1800 standard and / or of the CDMA type and in a second frequency band for a cellular radio communication system according to the standard GSM
  • the invention can also be applied to the field of measurement probes.
  • a printed antenna comprises a t-shaped conductor element which extends over the top of a dielectric substrate and which has an axial slot separating two radiating strands from the tee. .
  • the conductive element is fed by a coaxial feed line extending on the underside of the substrate.
  • This dipole uses the principle of double stub adaptation and a wide frequency band.
  • multiband antennas are known which associate by coupling additional strands in the same plane as a main strand.
  • multiband operation can be achieved by introducing localized elements, by series supply of several dipoles or by deformation of a main strand.
  • the antenna described in the above-mentioned patent and article provides only one frequency band operation, and all the above-mentioned solutions have the disadvantage of having narrowband multifrequency operation.
  • a multi-band printed dipole antenna according to the invention comprises first and second dipoles supported by a dielectric substrate and each having, in a manner known from French Pat. No. 2,713,020, a t-shaped conductive element comprising a leg and two strands. radiating separated by a coupling slot in the leg, and a feeding line that can extend for the most part parallel to the leg.
  • the invention improves it by the presence of a second dipole whose leg and strands are respectively longer than the leg and the strands. of the first dipole.
  • the antenna according to the invention is characterized by a superposition of the leg of the first dipole and a base of the leg of the second dipole, an alignment of the coupling slots, and a decoupling notch formed in the leg of the second dipole and in which the coupling slot of the first dipole opens by superposition.
  • the notch in the second dipole has a bottom substantially aligned with the slot of the first dipole.
  • the antenna according to the invention is very compact while providing operation in different frequency bands.
  • the antenna can reach a stationary wave rate of less than 2 over more than 50% of the bandwidth in each of the bands.
  • the first dipole radiates in the frequency bands of DCS-1800, UMTS and WLAN networks and the second dipole in the GSM-900 network frequency band.
  • the antenna according to the invention retains the bandwidth performance of the known antenna according to the French patent 2,713,020 and offers considerable space savings thanks to the superposition of the two dipoles, the thickness of the antenna being negligible in front of the length or width of it.
  • the decoupling notch discovers by completely superimposing the coupling slot of the first dipole, and the dielectric substrate comprises two dielectric layers and the dipole supply lines extend between faces facing the two dielectric layers, or the dielectric substrate comprises for each dipole a dielectric layer having faces respectively supporting the feed line and the conductive element of the dipole, and a dielectric layer extending between the layers supporting the dipoles .
  • the conductive elements of the dipoles extend on a common face of the dielectric substrate, the leg of the first dipole and the base of the leg of the second dipole are merged, and the supply lines extend on the other side of the dielectric substrate.
  • This embodiment has the advantage of having a single substrate, which provides space saving and less space.
  • a metal plane may extend perpendicularly to the faces of the substrate, the dipole having the strands farthest from the metal plane operating at the lowest frequencies.
  • the invention also relates to an antenna array comprising a plurality of antennas, each printed antenna being supported by a dielectric substrate and comprising first and second dipoles each having a t-shaped conducting element and comprising a leg and two radiating strands separated by a coupling slot formed in the leg, and a feeding line, the leg and the strands of the second dipole being respectively longer than the leg and the strands of the first dipole.
  • the network is characterized in that in each antenna, the leg of the first dipole and a base of the leg of the second dipole are superimposed, the coupling slots are aligned, and a decoupling slot is formed in the leg of the second dipole and the coupling slot of the first dipole opens by superposition in the decoupling slot, and the faces of the antenna substrates are parallel to each other and the coupling slots of the dipoles are oriented parallel.
  • FIG. 1 is a view from above of the dual-band printed dipole antenna according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a section taken along the line II-II of Figure 1;
  • FIGS. 3 and 4 are top views of first and second dipoles of the antenna according to the first embodiment;
  • FIG. 5 is a plan view of the supply lines of the antenna according to the first embodiment;
  • FIG. 6 is a top view of the antenna with common access supply lines according to a variant of the first embodiment
  • Figure 7 is a section taken along the line VII-VII of Figure 6;
  • FIG. 8 is a view from above of the antenna with supply lines on separate dielectric layers according to a second embodiment of the invention.
  • Fig. 9 is a section taken along line IX-IX of Fig. 8;
  • Figure 10 is a top view of the antenna on a monolayer substrate according to a third embodiment of the invention.
  • Fig. 11 is a section taken along the line XI-XI of Fig. 10; - Figure 12 is a schematic perspective view of the antenna with a metal plane according to a variant of the first embodiment; and Fig. 13 is a schematic perspective view of a one-dimensional array of dual-band printed dipole antennas according to the first embodiment of the invention.
  • a dual-band printed dipole antenna according to the first embodiment of the invention is hereinafter described in detail with reference to FIGS. 1 to 5.
  • the antenna comprises two stacked rectangular dielectric substrate layers CS1 and CS2, and two superposed printed dipoles D1 and D2.
  • the dipoles radiate in different frequency bands BF1 and BF2 and therefore have different dimensions.
  • the first dipole D1 the smallest one, extends on the lower face of the first layer CS1 and is intended to radiate in a first frequency band BF1, for example between 1.5 and 2.5 GHz approximately so that to cover a band combining the DCS 1800, UMTS and WLAN bands.
  • the second dipole D2 extends on the upper face of the second layer CS2 and is intended to radiate in a second frequency band BF2 which is less than the first frequency band BF1 and included as an example between 0.7 and Around 1.0 GHz to cover the GSM-900 band.
  • a printed feed line LA1 with integrated duplexer feeds the first dipole D1
  • a printed feed line LA2 with integrated duplexer feeds the second dipole D2.
  • the supply lines LA1 and LA2 extend between the facing faces of the first and second dielectric layers CS1 and CS2.
  • the facing faces of the dielectric layers are the faces opposite to the faces on which the dipoles extend, and all the faces of the layers are parallel to each other.
  • the layers CS1 and CS2 are for example a Duroid substrate with a relative dielectric permittivity of 2.2 and a thickness of about 0.75 mm.
  • the layers CS1 and CS2 are in different relative dielectric permittivity substrates and / or have different thicknesses. As shown in FIG.
  • each dipole D1, D2 comprises a flat conductor element in the shape of a tee comprising a leg J1, J2 and two lateral strands B1, B2 constituted by wings of the tee perpendicular to the leg and separated by a slot of coupling FC1, FC2 arranged axially at the top of the leg.
  • the leg J1, J2 constitutes a ground plane for the corresponding feed line LA1, LA2.
  • the songs of the bases of the legs J1 and J2 are coplanar in a plane perpendicular to the layers, and the strands B2 of the largest dipole D2 are located in front of the strands B1 of the smaller dipole D2 in the direction of radiation.
  • the legs have for example identical widths and collinear edges in top view, as shown in Figures 1 and 2, the longest leg J2 covering the shorter leg Jl to impart high compactness to the antenna.
  • the lateral strands B1, B2 constitute the radiating part of the conductive element.
  • the coupling slots FC1 and FC2 are rectangular in shape and very narrow, for example having a width of 0.5 mm.
  • the lateral strands B1, B2 of each dipole D1, D2 preferably have identical lengths.
  • the sum of the lengths of the strands is substantially equal to half the wavelength corresponding to the center frequency of the operating band of each dipole.
  • the strands B1 of the first dipole D1 are shorter than the strands B2 second dipole D2.
  • the length of the leg J1, J2 is equal to about half of said wavelength, although this length of the leg is less critical since it does not intervene in a dominant way in the radiation of the antenna.
  • the width of the legs J1, J2 is for example substantially double the width W1, W2 of the lateral strands B1, B2 so that the legs cover the feed lines LA1 and LA2 extending longitudinally between the legs.
  • the feed lines LA1 and LA2 extend parallel to the legs of the dipoles D1 and D2 and are printed with the dipoles in triplate technology for which the legs J1 and J2 play the role of ground plane.
  • the supply line LA1 of the first dipole D1 extends on the leg J1 between an access end ElI and a U-shaped end E12 symmetrically to the line LA2 with respect to an axial longitudinal plane P of the common antenna. legs and coupling slots.
  • the access end ElI is located at the edge of the antenna and is to be connected by a connector to a first microwave signal generator for the band BF1.
  • the U-shaped end E12 has a soul intersecting perpendicularly by superimposing the coupling slot FC1 and located axially under the birth of the strands B1 and is terminated by a short end branch extending substantially parallel to the coupling slot FC1 and near the LA2 power line.
  • the end E12 is folded in a U towards the supply line LA2 of the second dipole in order to maintain a high compactness of the antenna by avoiding to discard the supply lines LA1 and LA2 juxtaposed parallel between the dielectric layers CS1 and CS2 and thus to widen the legs J1 and J2, while ensuring an efficient excitation of the strand B1 over which the other supply line LA2 and thus of the two quarter-wave strands B1 coupled by a slot line FC1.
  • the length of the coupling slot FC1 and the dimensions of the U-shaped end E12 of the feed line LA1 are chosen in order to adapt the dipole D1 to a wide band BF1.
  • the supply line LA2 of the second dipole D2 extends under the leg J2 between an access end E21 and a right angled end E22, symmetrically to the line LA1.
  • the access end E21 is located at the edge of the antenna and connected by a connector to a second microwave signal generator for the BF2 band.
  • the U-shaped end E22 is terminated by a small rectilinear section located axially under the birth of the strands B2, and crossing perpendicularly by superpositioning the coupling slot FC2 to extend also under the strand B2 of the same side of the axial longitudinal plane P of the antenna, and thus excite the two radiating strands B2 in quarter-wave stubs coupled by a slot line FC2.
  • a decoupling slot ED for example rectangular, is provided in the leg J2 of the second dipole D2 (FIG. 4) extending on the leg J1 of the first dipole D1 and beyond the top of the leg J1, including the coupling slot F1 of the first dipole Dl.
  • the notch ED is formed in the edge of the leg J2 of the second dipole D2 closest to the feed line LA1 and discovers a portion of the line end E12 from the coupling slot FC1, and substantially the slot of FCl coupling itself.
  • the notch ED completely overlaps the coupling slot FC1 and has a bottom which is located substantially in a plane perpendicular to the dielectric layers and containing the side of the coupling slot FC1 closest to the other line. LA2 power supply.
  • the decoupling slot ED decouples the ground plane constituted by the leg J2 of the second dipole D2 with respect to the coupling slot FC1 of the strands B1 of the first dipole D1 so that the latter can radiate.
  • the dipole antenna printed according to the first embodiment of the invention combines in a compact manner two superimposed and decoupled printed dipoles D1 and D2 respectively operating in the frequency bands BF1 and BF2, according to the principle of double stub adaptation.
  • the printed dipole antenna typically extends over a maximum length of about 150 mm and a maximum width of about 150 mm, preferably respecting a square shape, and has a thickness of about 1.5 mm to provide a bulk minimum.
  • the printed dipole antenna described above has a stationary wave ratio of less than 2 over more than 50% bandwidth in each of the two frequency bands BF1 and BF2, and guarantees a decoupling level. better than -20 dB between E21 accesses for BFl band (GSM) and ElI for BF2 band (DCS + UMTS + WLAN).
  • the feed lines LAIa and LA2a of the dipoles DIa and D2a of the antenna have a common access end El, as shown in FIG. and 7.
  • the common access end E1 situated between the bases of the legs JIa, J2a of the dipoles DIa, D2a is collinear with one LA2a of the supply lines, and the other LAIa feed line presents a sinuous end to bypass the bottom of the decoupling slot FCIa.
  • FIGS 8 and 9 illustrate the second embodiment of the antenna according to the invention.
  • the antenna feed is performed on separate layers.
  • the antenna comprises a third dielectric substrate layer CS3, the second layer CS2 extending between the first and third layers CS1 and CS3.
  • One DIb of the dipoles extends on the outer face of one CSl of the first and third layers, and the other dipole extends between the two other layers CS2 and CS3.
  • the feed line LAIb relative to the first dipole DIb extends respectively between said one CSl of the first and third layers CS1 and CS3 and the second intermediate layer CS2, on the leg JIb of the dipole DIb and under the leg J2b of the dipole D2b, and the supply line LA2b relative to the other dipole D2b extends on the outer face of the other CS3 of the first and third layers, on the legs JIb and J2b dipoles DIb and D2b.
  • the LA2b power line is printed in technology microstrip while the LAIb feed line is printed in triplate technology.
  • the second embodiment provides more decoupling between the dipoles DIb and D2b but at the expense of a thicker antenna compared to the first embodiment shown in Figures 1 and 2.
  • the conductive element of the dipole DIb and the feed line LAIb are interchanged, the conductive element of the dipole DIb being located between the layers CS1 and CS2 and the feed line LAIb being located under the layer CS1, the outside of the stack of layers, and / or the conductive element of the dipole D2b and the feed line LA2b are interchanged, the feed line LA2b being located between the layers CS3 and CS2 and the conductive element of dipole D2b being located on the CS3 layer, outside the stack of layers.
  • Figures 10 and 11 illustrate the third embodiment of the antenna dielectric structure monolayer and microstrip according to the invention.
  • the two printed dipoles DIc and D2c are etched on the same face of a single substrate S and the feed lines LAIc and LA2c are etched on the other side of the single substrate S.
  • the leg JIc of the smallest dipole DIc is used also of an extreme portion of the leg J2c of the largest dipole D2c so that the legs JIc and J2c are coaxial and the bases of the legs JIc and J2c are merged on the access ends Elle and E21c feed lines LAIc and LA2c.
  • the decoupling notch EDc which may still be rectangular is practiced in the edge of the leg J2c of the second dipole D2c in front of the strand Bl on the line end El2c and located between this strand Bl and the bottom of the coupling slot FC2c.
  • the bottom of the notch EDc is set back with respect to the aligned slots FCIc and FC2c so that the coupling slot FCIc of the first dipole DIc opens into the notch EDc and the first dipole DIc can radiate.
  • a second coupling slot F1 similar to the first slot FCIc is formed axially in the base of the leg JIc opposite the first slot FCIc and collinearly to that and two slots F2 are formed at the end of a leg portion J2c D2c dipole located in front of the strand B1 under which passes LAIc feed line and LA2c to form a narrowing of the leg J2c in a corner of the EDc notch to the width of the LA2c power line and above it.
  • FIG. 12 shows an alternative embodiment comprising a metal ground plane PS extending perpendicularly to the faces of the substrate distributed in one, two or three layers and therefore to the flat conductive dipoles. It has been assumed in FIG. 12 that the antenna was in accordance with the first embodiment shown in FIG. 1.
  • the ground plane PS serves as a means of reflection in order to suppress a backward radiation of the dipoles and to direct the radiation forward. dipoles opposite the ground plane PS, in the axial direction of the opening of the coupling slots FC1 and FC2.
  • the ground plane PS aims to increase the directivity of the antenna of the order of 2 dB, while maintaining broadband performance of the antenna. For this purpose, the largest B2 strands of the antenna radiating at the lowest frequencies are the farthest from the ground plane PS.
  • the PS ground plane is located at a distance from the rear AC access side of the antenna by about one-third of the wavelength corresponding to the highest frequency of the operating band of the antenna and therefore frequency band BF1 of the smaller dipole.
  • the antenna is introduced into a metal cavity CV or a waveguide, as shown in dashed lines in Figure 12, to obtain a frequency-doubled feed system in a guided structure.
  • the radio performance of the bi-band printed dipole antenna described above is maintained when a plurality of dual-band printed dipole antennas according to the invention are juxtaposed to form a BF1 and BF2 frequency band network.
  • FIG. 13 shows an example of a one-dimensional network RE of two-band printed dipole antennas according to the first embodiment of the invention.
  • the network comprises a column of two-band printed dipole antennas whose faces of the substrates are parallel to each other and preferably coplanar and whose axial planes P of coupling slots FC1, FC2 dipoles are oriented parallel.
  • the antennas preferably have common substrate layers extending perpendicularly to a metal ground plane PS that can be the bottom of a cavity CV.
  • the feed lines LAl dipoles Dl of all the antennas are connected to a first common access end and feed lines LA2 dipoles D2 of all the antennas are connected to a second common access end.
  • the first and second common access ends may be interconnected.
  • This network may constitute, for example, an antenna for a base station for the GSM, DCS and UMTS radiocommunication networks and a terminal for a WLAN network (IEEE 802. xx). Depending on the orientation of the antenna, it has a directional diagram in elevation DE and a wide azimuth diagram DA for the two frequency bands BF1 and BF2.
  • a dual polarization and two frequency band antenna array (not shown) consists of a first column of first two-band printed dipole antennas which are oriented in the same manner as in FIG. a second column of second dual-band printed dipole antennas which are oriented in the same way and perpendicular to the orientation of the first antennas.
  • the dipoles D1 and D2 of the first column radiate an electric field polarized and crossed perpendicular to the electric field radiated respectively by the dipoles D1 and D2 of the second column for respective operations in the first common frequency band BF1 and the second band of common frequency BF2.
  • the dual polarization and thus two-dimensional network may comprise several parallel columns alternating on a plane.
  • the antenna according to the invention can be extended to a structure multiband by introducing as many dipole levels as desired operating bands, and as many dielectric layers as desired operating bands for the first embodiment, or as many pairs of dielectric layers as desired operating bands for the second embodiment, or as many dipoles as desired operating bands for the third embodiment. It is then necessary that one or more decoupling notches are formed in the legs of the dipoles of the upper levels so that they do not cover the coupling slots of the dipoles of the lower levels.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Structure Of Receivers (AREA)
  • Superheterodyne Receivers (AREA)

Description

Antenne dipôle imprimée multibande
La présente invention concerne une antenne dipôle imprimée multibande pour un réseau de réception et/ou d'émission de signaux de télécommunications, capable de rayonner des champs radioélectriques dans plusieurs bandes de fréquence.
Une telle antenne est par exemple destinée à fonctionner dans une première bande de fréquence d'un réseau cellulaire de radiocommunications selon la norme DCS-1800 et/ou du type CDMA et dans une deuxième bande de fréquence pour un système cellulaire de radiocommunications selon la norme GSM-
900. L'invention peut s'appliquer également au domaine des sondes de mesure.
Selon le brevet français 2 713 020 et l'article intitulé «T Dipôle Arrays for Mobile Applications » de Christian Sabatier, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 45, No. 6, Décembre 2003, pages 9 à 26, une antenne imprimée comprend un élément conducteur en forme de té qui s'étend sur la partie supérieure d'un substrat diélectrique et qui a une fente axiale séparant deux brins rayonnants du té. L'élément conducteur est alimenté par une ligne d'alimentation coaxiale s 'étendant sur la face inférieure du substrat. Ce dipôle utilise le principe de l'adaptation double stub et une large bande de fréquence . II est connu par ailleurs des antennes multibande qui associent par couplage des brins supplémentaires dans le même plan qu'un brin principal .
D'autres types de fonctionnement multibande peuvent être obtenus par l'introduction de filtres à éléments localisés, par alimentation en série de plusieurs dipôles ou par déformation d'un brin principal .
L'antenne décrite dans le brevet et l'article précités n'offre qu'un fonctionnement dans une seule bande de fréquence, et toutes les solutions précitées présentent l'inconvénient d'avoir un fonctionnement multifréquence à bande étroite.
La présente invention a pour objectif de concevoir une antenne dipôle imprimée multibande compacte et fonctionnant dans au moins deux bandes de fréquence .
Une antenne dipôle imprimé multibande selon l'invention comprend des premier et deuxième dipôles supportés par un substrat diélectrique et ayant chacun d'une manière connue par le brevet français 2 713 020, un élément conducteur en forme de té, comprenant une jambe et deux brins rayonnants séparés par une fente de couplage ménagée dans la jambe, et une ligne d'alimentation qui peut s'étendre en majeure partie parallèlement à la jambe.
Sur la base d'une structure d'antenne dipôle imprimée avec un fonctionnement mono-bande, l'invention améliore celle-ci par la présence d'un deuxième dipôle dont la jambe et les brins sont respectivement plus longs que la jambe et les brins du premier dipôle. L'antenne selon l'invention est caractérisée par une superposition de la jambe du premier dipôle et d'une base de la jambe du deuxième dipôle, un alignement des fentes de couplage, et une encoche de découplage ménagée dans la jambe du deuxième dipôle et dans laquelle la fente de couplage du premier dipôle débouche par superposition. De préférence, l'encoche ménagée dans le deuxième dipôle a un fond sensiblement aligné avec la fente du premier dipôle.
Grâce aux caractéristiques précédentes, l'antenne selon l'invention est très compacte tout en offrant un fonctionnement dans des bandes de fréquence différentes. L'antenne peut atteindre un taux d'ondes stationnaires inférieur à 2 sur plus de 50% de la largeur de bande dans chacune des bandes. Par exemple, le premier dipôle rayonne dans les bandes de fréquence de réseaux DCS-1800, UMTS et WLAN et le deuxième dipôle dans la bande de fréquence du réseau GSM-900. L'antenne selon l'invention conserve les performances en bande passante de l'antenne connue selon le brevet français 2 713 020 et offre un gain de place considérable grâce à la superposition des deux dipôles, l'épaisseur de l'antenne étant négligeable devant la longueur ou la largeur de celle-ci. Selon une première réalisation offrant un découplage important entre les dipôles, l'encoche de découplage découvre par superposition complètement la fente de couplage du premier dipôle, et le substrat diélectrique comprend deux couches diélectriques et les lignes d'alimentation des dipôles s'étendent entre des faces en regard des deux couches diélectriques, ou le substrat diélectrique comprend pour chaque dipôle une couche diélectrique ayant des faces supportant respectivement la ligne d'alimentation et l'élément conducteur du dipôle, et une couche diélectrique s 'étendant entre les couches supportant les dipôles .
Selon une autre réalisation, les éléments conducteurs des dipôles s'étendent sur une face commune du substrat diélectrique, la jambe du premier dipôle et la base de la jambe du deuxième dipôle sont confondues, et les lignes d'alimentation s'étendent sur l'autre face du substrat diélectrique. Cette réalisation a l'avantage de présenter un unique substrat, ce qui procure un gain de place et un encombrement moindre. Pour ces réalisations, un plan métallique peut s'étendre perpendiculairement aux faces du substrat, le dipôle ayant les brins les plus éloignés du plan métallique fonctionnant aux fréquences les plus basses.
L'invention concerne également un réseau d'antennes comprenant plusieurs antennes, chaque antenne imprimée étant supportée par un substrat diélectrique et comprenant des premier et deuxième dipôles ayant chacun un élément conducteur en forme de té et comprenant une jambe et deux brins rayonnants séparés par une fente de couplage ménagée dans la jambe, et une ligne d'alimentation, la jambe et les brins du deuxième dipôle étant respectivement plus longs que la jambe et les brins du premier dipôle .
Le réseau est caractérisé en ce que dans chaque antenne, la jambe du premier dipôle et une base de la jambe du deuxième dipôle sont superposées, les fentes de couplage sont alignées, et une encoche de découplage est ménagée dans la jambe du deuxième dipôle et la fente de couplage du premier dipôle débouche par superposition dans l'encoche de découplage, et les faces des substrats des antennes sont parallèles entre elles et les fentes de couplage des dipôles sont orientées parallèlement. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention, données à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels :
- la figure 1 est une vue de dessus de l'antenne dipôle imprimée bi-bande selon une première réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une coupe prise le long de la ligne II-II de la figure 1;
- les figures 3 et 4 sont des vues de dessus de premier et deuxième dipôles de l'antenne selon la première réalisation; - la figure 5 est une vue en plan des lignes d'alimentation de l'antenne selon la première réalisation;
- la figure 6 est une vue de dessus de l'antenne avec des lignes d'alimentation à accès commun selon une variante de la première réalisation;
- la figure 7 est une coupe prise le long de la ligne VII-VII de la figure 6;
- la figure 8 est une vue de dessus de l'antenne avec des lignes d'alimentation sur des couches diélectriques séparées selon une deuxième réalisation de l'invention;
- la figure 9 est une coupe prise le long de la ligne IX-IX de la figure 8; la figure 10 est une vue de dessus de l'antenne sur un substrat monocouche selon une troisième réalisation de l'invention;
- la figure 11 est une coupe prise le long de la ligne XI-XI de la figure 10; - la figure 12 est une vue en perspective schématique de l'antenne avec un plan métallique selon une variante de la première réalisation; et la figure 13 est une vue en perspective schématique d'un réseau monodimensionnel d'antennes dipôle imprimées bi-bande selon la première réalisation de l'invention.
Une antenne dipôle imprimée bi-bande selon la première réalisation de l'invention est décrite ci- après en détail en référence aux figures 1 à 5.
L'antenne comprend deux couches rectangulaires de substrat diélectrique empilées CSl et CS2, et deux dipôles imprimés superposés Dl et D2. Les dipôles rayonnent dans des bandes de fréquence différentes BFl et BF2 et ont donc des dimensions différentes. Le premier dipôle Dl, le plus petit, s'étend sur la face inférieure de la première couche CSl et est destiné à rayonner dans une première bande de fréquence BFl comprise à titre d'exemple entre 1,5 et 2,5 GHz environ afin de couvrir une bande combinant les bandes DCS 1800, UMTS et WLAN. Le deuxième dipôle D2 s'étend sur la face supérieure de la deuxième couche CS2 et est destiné à rayonner dans une deuxième bande de fréquence BF2 qui est inférieure à la première bande de fréquence BFl et comprise à titre d'exemple entre 0,7 et 1,0 GHz environ pour couvrir la bande GSM-900. Une ligne d'alimentation imprimée LAl avec duplexeur intégré alimente le premier dipôle Dl, et une ligne d'alimentation imprimée LA2 avec duplexeur intégré alimente le deuxième dipôle D2. Les lignes d'alimentation LAl et LA2 s'étendent entre les faces en regard des première et deuxième couches diélectriques CSl et CS2. Ainsi les faces en regard des couches diélectriques sont les faces opposées aux faces sur lesquelles s'étendent les dipôles, et toutes les faces des couches sont parallèles entre elles. Les couches CSl et CS2 sont par exemple en un substrat Duroïd avec une permittivité diélectrique relative de 2,2 et une épaisseur voisine de 0,75 mm environ. En variante, les couches CSl et CS2 sont en des substrats de permittivités diélectriques relatives différentes et/ou ont des épaisseurs différentes . Comme montré à la figure 1, chaque dipôle Dl, D2 comprend un élément conducteur plat en forme de té comprenant une jambe Jl, J2 et deux brins latéraux Bl, B2 constitués par des ailes du té perpendiculaires à la jambe et séparés par une fente de couplage FCl, FC2 ménagée axialement au sommet de la jambe. La jambe Jl, J2 constitue un plan de masse pour la ligne d'alimentation correspondante LAl, LA2. Les chants des bases des jambes Jl et J2 sont coplanaires dans un plan perpendiculaire aux couches, et les brins B2 du plus grand dipôle D2 sont situés devant les brins Bl du plus petit dipôle D2 suivant le sens de rayonnement. Les jambes ont par exemple des largeurs identiques et des bords colinéaires en vue de dessus, comme montré aux figures 1 et 2, la plus longue jambe J2 recouvrant la plus courte jambe Jl afin de conférer une compacité élevée à l'antenne. Les brins latéraux Bl, B2 constituent la partie rayonnante de l'élément conducteur. De préférence, les fentes de couplage FCl et FC2 sont de forme rectangulaire et très étroites, par exemple ayant une largeur de 0,5 mm.
Les brins latéraux Bl, B2 de chaque dipôle Dl, D2 ont de préférence des longueurs identiques . La somme des longueurs des brins est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande de fonctionnement de chaque dipôle. Comme la fréquence centrale de la première bande BFl est supérieure à la fréquence centrale de la deuxième bande BF2, les brins Bl du premier dipôle Dl sont plus courts que les brins B2 deuxième dipôle D2. De même, la longueur de la jambe Jl, J2 est égale à environ la moitié de ladite longueur d'onde, bien que cette longueur de la jambe soit moins critique puisqu'elle n'intervient pas de manière prépondérante dans le rayonnement de l'antenne. La largeur des jambes Jl, J2 est par exemple sensiblement le double de la largeur Wl, W2 des brins latéraux Bl, B2 afin que les jambes recouvrent les lignes d'alimentation LAl et LA2 s ' étendant longitudinalement entre les jambes. Les lignes d'alimentation LAl et LA2 s'étendent parallèlement aux jambes des dipôles Dl et D2 et sont imprimées avec les dipôles en technologie triplaque pour laquelle les jambes Jl et J2 jouent le rôle de plan de masse.
La ligne d'alimentation LAl du premier dipôle Dl s'étend sur la jambe Jl entre une extrémité d'accès ElI et une extrémité en U E12, symétriquement à la ligne LA2 par rapport à un plan longitudinal axial P de l'antenne commun aux jambes et aux fentes de couplage. L'extrémité d'accès ElI est située en bordure de l'antenne et est à relier par un connecteur à un premier générateur de signal à micro- onde pour la bande BFl. L'extrémité en U E12 a une âme croisant perpendiculairement par superposition la fente de couplage FCl et située axialement sous la naissance des brins Bl et est terminée par une branche courte terminale s 'étendant sensiblement parallèlement à la fente de couplage FCl et à proximité de la ligne d'alimentation LA2. L'extrémité E12 est repliée en U vers la ligne d'alimentation LA2 du deuxième dipôle afin de maintenir une compacité élevée de l'antenne en évitant d'écarter les lignes d'alimentation LAl et LA2 juxtaposées parallèlement entre les couches diélectriques CSl et CS2 et donc d'élargir les jambes Jl et J2, tout en assurant une excitation efficace du brin Bl sur lequel passe l'autre ligne d'alimentation LA2 et donc des deux brins Bl en quart d'onde couplés par une ligne à fente FCl . La longueur de la fente de couplage FCl et les dimensions de l'extrémité en U E12 de la ligne d'alimentation LAl sont choisies afin d'adapter le dipôle Dl sur une large bande BFl . La ligne d'alimentation LA2 du deuxième dipôle D2 s'étend sous la jambe J2 entre une extrémité d'accès E21 et une extrémité coudée à angle droit E22, symétriquement à la ligne LAl. L'extrémité d'accès E21 est située en bordure de l'antenne et à relier par un connecteur à un deuxième générateur de signal à micro-onde pour la bande BF2. L'extrémité en U E22 est terminée par petit tronçon rectiligne situé axialement sous la naissance des brins B2, et croisant perpendiculairement par superposition la fente de couplage FC2 pour s'étendre également sous le brin B2 du même côté du plan longitudinal axial P de l'antenne, et ainsi exciter les deux brins rayonnants B2 en stubs quart d'onde couplés par une ligne à fente FC2.
Une encoche de découplage ED par exemple rectangulaire est prévue dans la jambe J2 du deuxième dipôle D2 (figure 4) s ' étendant sur la jambe Jl du premier dipôle Dl et au delà du sommet de la jambe Jl incluant la fente de couplage Fl du premier dipôle Dl. L'encoche ED est pratiquée dans le bord de la jambe J2 du deuxième dipôle D2 le plus proche de la ligne d'alimentation LAl et découvre une portion de l'extrémité de ligne E12 depuis la fente de couplage FCl, et sensiblement la fente de couplage FCl elle- même. De préférence, l'encoche ED découvre par superposition complètement la fente de couplage FCl et a un fond qui est situé sensiblement dans un plan perpendiculaire aux couches diélectriques et contenant le côté de la fente de couplage FCl le plus proche de l'autre ligne d'alimentation LA2. Ainsi une projection de la fente de couplage FCl du premier dipôle Dl sur le plan du deuxième dipôle D2 est contenue dans l'encoche de découplage ED. L'encoche de découplage ED découple le plan de masse constitué par la jambe J2 du deuxième dipôle D2 par rapport à la fente de couplage FCl des brins Bl du premier dipôle Dl afin que celui-ci puisse rayonner.
L'antenne dipôle imprimée selon la première réalisation de l'invention réunit d'une manière compacte deux dipôles imprimés superposés et découplés Dl et D2 fonctionnant respectivement dans les bandes de fréquence BFl et BF2, selon le principe de l'adaptation double stub. L'antenne dipôle imprimée s'étend typiquement sur une longueur maximale de 150 mm environ et sur une largeur maximale de 150 mm environ en respectant de préférence une forme carrée, et présente une épaisseur de 1,5 mm environ afin d'offrir un encombrement minimum.
Des mesures ont montré que l'antenne dipôle imprimée décrite ci-dessus offrait un taux d'onde stationnaire inférieur à 2 sur plus de 50% de largeur de bande dans chacune des deux bandes de fréquence BFl et BF2, et garantissait un niveau de découplage meilleur que -20 dB entre les accès E21 pour bande BFl (GSM) et ElI pour bande BF2 (DCS+UMTS+WLAN) .
Selon une variante de la première réalisation et d'une manière analogue aux figures 1 à 5, les lignes d'alimentation LAIa et LA2a des dipôles DIa et D2a de l'antenne ont une extrémité d'accès commune El, comme montré aux figures 6 et 7. Par exemple l'extrémité d'accès commune El située entre les bases des jambes JIa, J2a des dipôles DIa, D2a est colinéaire à l'une LA2a des lignes d'alimentation, et l'autre ligne d'alimentation LAIa présente une extrémité sinueuse pour contourner le fond de la fente de découplage FCIa.
Les figures 8 et 9 illustrent la deuxième réalisation de l'antenne selon l'invention. L'alimentation de l'antenne est effectuée sur des couches séparées. L'antenne comprend une troisième couche de substrat diélectrique CS3, la deuxième couche CS2 s 'étendant entre les première et troisième couches CSl et CS3. L'un DIb des dipôles s'étend sur la face externe de l'une CSl des première et troisième couches, et l'autre dipôle s'étend entre les deux autres couches CS2 et CS3. La ligne d'alimentation LAIb relative au premier dipôle DIb s'étend respectivement entre ladite une CSl des première et troisième couches CSl et CS3 et la deuxième couche intermédiaire CS2, sur la jambe JIb du dipôle DIb et sous la jambe J2b du dipôle D2b, et la ligne d'alimentation LA2b relative à l'autre dipôle D2b s'étend sur la face externe de l'autre CS3 des première et troisième couches, sur les jambes JIb et J2b des dipôles DIb et D2b. La ligne d'alimentation LA2b est imprimée en technologie microruban alors que la ligne d'alimentation LAIb est imprimée en technologie triplaque.
La deuxième réalisation offre plus de découplage entre les dipôles DIb et D2b mais au détriment d'une antenne plus épaisse comparativement à la première réalisation montrée aux figures 1 et 2.
En variantes, l'élément conducteur du dipôle DIb et la ligne d'alimentation LAIb sont intervertis, l'élément conducteur du dipôle DIb étant située entre les couches CSl et CS2 et la ligne d'alimentation LAIb étant située sous la couche CSl, à l'extérieur de l'empilement des couches, et/ou l'élément conducteur du dipôle D2b et la ligne d'alimentation LA2b sont intervertis, la ligne d'alimentation LA2b étant située entre les couches CS3 et CS2 et l'élément conducteur du dipôle D2b étant situé sur la couche CS3, à l'extérieur de l'empilement des couches .
Les figures 10 et 11 illustrent la troisième réalisation de l'antenne à structure diélectrique monocouche et microruban selon l'invention. Les deux dipôles imprimés DIc et D2c sont gravés sur la même face d'un substrat unique S et les lignes d'alimentation LAIc et LA2c sont gravés sur l'autre face du substrat unique S. La jambe JIc du plus petit dipôle DIc fait office également d'une portion extrême de la jambe J2c du plus grand dipôle D2c si bien que les jambes JIc et J2c sont coaxiales et les bases des jambes JIc et J2c sont confondues sur les extrémités d'accès Elle et E21c des lignes d'alimentation LAIc et LA2c.
L'encoche de découplage EDc qui peut être encore rectangulaire est pratiquée dans le bord de la jambe J2c du deuxième dipôle D2c devant le brin Bl sur l'extrémité de ligne El2c et située entre ce brin Bl et le fond de la fente de couplage FC2c. Le fond de l'encoche EDc est en retrait par rapport aux fentes alignées FCIc et FC2c afin que la fente de couplage FCIc du premier dipôle DIc débouche dans l'encoche EDc et le premier dipôle DIc puisse rayonner.
De manière à accentuer le découplage entre les deux dipôles DIc et D2c, une deuxième fente de couplage Fl analogue à la première fente FCIc, est ménagée axialement dans la base de la jambe JIc à l'opposé de la première fente FCIc et colinéairement à celle-ci, et deux fentes F2 sont ménagées à l'extrémité d'une portion de jambe J2c du dipôle D2c située devant le brin Bl sous lequel passe la ligne d'alimentation LAIc et LA2c afin de former un rétrécissement de la jambe J2c dans un coin de l'encoche EDc à la largeur de la ligne d'alimentation LA2c et au-dessus de celle-ci.
La figure 12 présente une variante de réalisation comprenant un plan de sol métallique PS s 'étendant perpendiculairement aux faces du substrat réparti en une, deux ou trois couches et donc aux dipôles conducteurs plans . On a supposé dans la figure 12 que l'antenne était conforme à la première réalisation montrée à la figure 1. Le plan de sol PS fait office de moyen de réflexion afin de supprimer un rayonnement arrière des dipôles et de diriger le rayonnement en avant des dipôles à l'opposé du plan de sol PS, suivant la direction axiale de l'ouverture des fentes de couplages FCl et FC2. Le plan de sol PS vise à accroître la directivité de l'antenne de l'ordre de 2 dB, tout en conservant les performances en large bande de l'antenne. A cette fin, les plus grands brins B2 de l'antenne rayonnant aux fréquences les plus basses sont les plus éloignés du plan de sol PS. Typiquement le plan de sol PS est situé à une distance du côté arrière d'accès CA de l'antenne d'environ un tiers de la longueur d'onde correspondant à la plus grande fréquence de la bande de fonctionnement de l'antenne et donc de bande de fréquence BFl du plus petit dipôle . En variante, l'antenne est introduite dans une cavité métallique CV ou un guide d'onde, comme représenté en traits pointillés dans la figure 12, afin d'obtenir un système d'alimentation duplexé en fréquence dans une structure guidée.
Les performances radioélectriques de l'antenne dipôle imprimée bi-bande décrite ci-dessus sont conservées lorsque plusieurs antennes dipôle imprimées bi-bande selon l'invention sont juxtaposées pour former un réseau à bandes de fréquence BFl et BF2.
La figure 13 présente un exemple de réseau monodimensionnel RE d'antennes dipôle imprimées bi- bande selon la première réalisation de l'invention. Le réseau comprend une colonne d'antennes dipôle imprimées bi-bande dont les faces des substrats sont parallèles entre elles et de préférence coplanaires et dont les plans axiaux P de fentes de couplage FCl, FC2 des dipôles sont orientées parallèlement. En pratique pour réduire le coût de fabrication du réseau, les antennes ont de préférence des couches de substrat communes s 'étendant perpendiculairement à un plan de sol métallique PS pouvant être le fond d'une cavité CV. Les lignes d'alimentation LAl des dipôles Dl de toutes les antennes sont reliées à une première extrémité d'accès commune et les lignes d'alimentation LA2 des dipôles D2 de toutes les antennes sont reliées à une deuxième extrémité d'accès commune. Les première et deuxième extrémités d'accès communes peuvent être reliées entre elles.
Ce réseau peut constituer par exemple une antenne pour une station de base pour les réseaux de radiocommunication GSM, DCS et UMTS et une borne pour réseau WLAN (IEEE 802. xx). Selon l'orientation de l'antenne, celle-ci présente un diagramme directif en élévation DE et un diagramme large en azimut DA pour les deux bandes de fréquence BFl et BF2.
En variante, un réseau d'antennes (non représenté) à double polarisation et à deux bandes de fréquence est constitué d'une première colonne de premières antennes dipôle imprimées bi-bande qui sont orientées de la même façon que dans la figure 13 et d'une deuxième colonne de deuxièmes antennes dipôle imprimées bi-bande qui sont orientées de la même façon et perpendiculairement à l'orientation des premières antennes . Les dipôles Dl et D2 de la première colonne rayonnent un champ électrique polarisé et croisé perpendiculairement avec le champ électrique rayonné respectivement par les dipôles Dl et D2 de la deuxième colonne pour des fonctionnements respectifs dans la première bande de fréquence commune BFl et la deuxième bande de fréquence commune BF2.
Le réseau à double polarisation et ainsi bidimensionnel peut comprendre plusieurs colonnes parallèles alternées sur un plan.
Bien que l'invention ait été décrite en référence à un fonctionnement bi-bande, l'antenne selon l'invention peut être étendue à une structure multibande en introduisant autant de niveaux de dipôles que de bandes de fonctionnement souhaitées, et autant de couches diélectriques que de bandes de fonctionnement souhaitées pour la première réalisation, ou autant de paires de couches diélectriques que de bandes de fonctionnement souhaitées pour la deuxième réalisation, ou autant de dipôles que de bandes de fonctionnement souhaitées pour la troisième réalisation. Il est alors nécessaire qu'une ou plusieurs encoches de découplage soient ménagées dans les jambes des dipôles des niveaux supérieurs afin qu'elles ne couvrent pas les fentes de couplages des dipôles des niveaux inférieurs .

Claims

REVENDICATIONS
1 - Antenne imprimée comprenant des premier et deuxième dipôles (Dl, D2) supportés par un substrat diélectrique et ayant chacun un élément conducteur en forme de té comprenant une jambe (Jl, J2) et deux brins rayonnants (Bl, B2) séparés par une fente de couplage (FCl, FC2) ménagée dans la jambe, et une ligne d'alimentation (LAl, LA2), la jambe (J2) et les brins (B2) du deuxième dipôle (D2) étant respectivement plus longs que la jambe (Jl) et les brins (Bl) du premier dipôle (Dl) , caractérisée par une superposition de la jambe (Jl) du premier dipôle et d'une base de la jambe (J2) du deuxième dipôle, un alignement des fentes de couplage (FCl, FC2), et une encoche de découplage (ED) ménagée dans la jambe (J2) du deuxième dipôle et dans laquelle la fente de couplage (FCl) du premier dipôle débouche par superposition.
2 - Antenne conforme à la revendication 1, dans laquelle l'encoche de découplage (ED) découvre par superposition complètement la fente de couplage (FCl) du premier dipôle (Dl) .
3 - Antenne conforme à la revendication 1 ou 2, dans laquelle le substrat diélectrique comprend deux couches diélectriques (CSl, CS2) et les lignes d'alimentation (LAl, LA2) des dipôles (Dl, D2) s'étendent entre des faces en regard des deux couches diélectriques (CSl, CS2) .
4 - Antenne conforme à la revendication 1 ou 2, dans laquelle le substrat diélectrique comprend pour chaque dipôle (DIb, D2b) une couche diélectrique (CSl, CS3) ayant des faces supportant respectivement la ligne d'alimentation et l'élément conducteur du dipôle, et une couche diélectrique (CS2) s 'étendant entre les couches (CSl, CS3) supportant les dipôles .
5 - Antenne conforme à la revendication 1, dans laquelle les éléments conducteurs des dipôles (DIc, D2c) s'étendent sur une face commune du substrat diélectrique (S) , la jambe (JIc) du premier dipôle et la base de la jambe (J2c) du deuxième dipôle sont confondues, et les lignes d'alimentation (LAIc, LA2c) s'étendent sur l'autre face du substrat diélectrique.
6 - Antenne conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle l'encoche (ED,
EDc) ménagée dans le deuxième dipôle a un fond sensiblement aligné avec la fente (FCl, FCIc) du premier dipôle.
7 - Antenne conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la ligne d'alimentation (LAl) du premier dipôle a une extrémité (E12) repliée en U vers la ligne d'alimentation (LA2) du deuxième dipôle et ayant une âme croisant perpendiculairement par superposition la fente de couplage (FCl) du premier dipôle et une branche courte terminale s 'étendant sensiblement parallèlement à la fente de couplage (FCl) du premier dipôle .
8 - Antenne conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle un plan métallique (PS) s'étend perpendiculairement aux faces du substrat (CSl, CS2), le dipôle (D2) ayant les brins les plus éloignés du plan métallique fonctionnant aux fréquences les plus basses.
9 - Réseau d'antennes comprenant plusieurs antennes, chaque antenne imprimée étant supportée par un substrat diélectrique et comprenant des premier et deuxième dipôles (Dl, D2) ayant chacun un élément conducteur en forme de té et comprenant une jambe
(Jl, J2) et deux brins rayonnants (Bl, B2) séparés par une fente de couplage (FCl, FC2) ménagée dans la jambe, et une ligne d'alimentation (LAl, LA2), la jambe (J2) et les brins (B2) du deuxième dipôle (D2) étant respectivement plus longs que la jambe (Jl) et les brins (Bl) du premier dipôle (Dl) , caractérisé en ce que dans chaque antenne, la jambe (Jl) du premier dipôle et une base de la jambe (J2) du deuxième dipôle sont superposées, les fentes de couplage (FCl, FC2) sont alignées, et une encoche de découplage (ED) est ménagée dans la jambe (J2) du deuxième dipôle et la fente de couplage (FCl) du premier dipôle débouche par superposition dans l'encoche de découplage (ED), et les faces des substrats des antennes sont parallèles entre elles et les fentes de couplage des dipôles sont orientées parallèlement.
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