FR2823019A1 - Antenne de telecommunications et dispositif de filtrage - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une antenne (30) de télécommunications transmettant des ondes radioélectriques dans le domaine des hyperfréquences au moyen d'éléments rayonnants (40; 44), ces éléments rayonnants (40; 44) étant situés dans un même châssis ou boîtier (70). Cette antenne (30) est caractérisée en ce qu'au moins un filtre (32; 34) atténuant des fréquences extérieures à une bande de fréquences propre à un système de communication utilisé par l'antenne (30) est disposé à l'intérieur du boîtier (70) de l'antenne.
Description
l'élément filaire est sensiblement constant.
ANTENNE DE TÉLÉCOMMUNICATIONS ET DISPOSITIF DE FILTRAGE
La présente invention concerne une antenne, notamment dans le domaine des communications de téléphones portables, et un dispositif de filtrage d'ondes radioélectriques. Une antenne de télécommunications émet et reçoit des ondes radioélectriques suivant des fréquences propres à un système de télécommunications exploité par cette antenne. Ainsi, une antenne destinée au système GSM ou "Global System for Mobile Communications" utilise des ondes de
fréquences comprises dans la bande 870-960 MHz.
Pour cela, une station de base alimente chaque antenne avec des ondes
de fréquences comprises dans une bande exploitée par cette dernière.
La figure 1 représente une telle installation qui comprend une station 10 de
base GSM et une antenne 14 GSM.
Une station de base est habituellement disposée au sol, pour faciliter son entretien, alors qu'une antenne est généralement disposée en un endroit élevé pylône, château d'eau, etc - de façon à maximiser sa couverture de transmission et
de réception.
C'est pourquoi la station 10 est reliée à l'antenne 14 au moyen de câbles
16 transmettant les ondes radioélectriques entre ces deux organes.
Diverses interférences électromagnétiques, par exemple dues à des ondes
émises par une autre antenne, détériorent les ondes ainsi transmises.
En outre, les ondes produites par la station 10 peuvent comprendre des
fréquences parasites extérieures à la bande de fréquences GSM.
Un filtre 12 est donc placé entre la station de base 10 et l'antenne 14. Ce filtre 12 traite les ondes transmises par les câbles 16 de façon à atténuer les ondes
de fréquence extérieure à la bande exploitée par l'antenne 14.
Le filtre 12 est. par exemple, du type dit "à air", c'est-à-dire formé d'une enceinte creuse à parois métalliques dont les dimensions sont telles que des ondes de fréquences déterminées s'atténuent par résonance lors de leur propagation dans
I'enceinte.
La présente invention résulte de la constatation que la localisation des
filtres à!'extérieur des antennes présente de nombreux inconvénients.
De fait, les câbles utilisés entre les filtres et les stations de base ou les antennes ont un coût élevé. Or leur utilisation est accrue par la localisation de filtres
à l'extérieun des antennes.
De plus, les opérations manuelles de raccordement des câbles aux filtres entranent des coûts supplémentaires et des risques de détérioration de ces câbles
et de ces filtres.
Ces inconvénients augmentent pour une antenne dite multibande, c'est-à-
dire comprenant des éléments rayonnants utilisant différents systèmes de télécommunications. Par exemple, dans une antenne multibande comprenant des éléments rayonnants GSM et des élément rayonnants utilisant le système DCS ou "Digital Cellular System" - exploitant la bande 1710-1880 MHz- on prévoit un filtre GSM et
un filtre DCS connectés à l'antenne.
L'invention résulte aussi de la constatation que l'utilisation de câbles entre les filtres et ies antennes détériore les ondes transmises par ces câbles suite aux pertes de transmission et aux perturbations extérieures, par exemple dues à des
signaux d'autres antennes.
Ces altérations sont indésirables, notamment vis-à-vis des ondes
transmises à l'antenne, ces dernières n'étant plus filtrées par la suite.
Pour remédier à ces inconvénients, un premier aspect de l'invention prévoit une antenne dans laquelle le dispositif de filtrage est disposé à l'intérieur du châssis
comprenant ies éléments rayonnants de l'antenne.
Dès lors, le coût d'installation d'une antenne diminue du fait de la quantité réduite de câbles de raccordement utilisés et de l'élimination des opérations
d'installation des filtres.
De plus, les pertes et les détériorations des signaux transmis entre les
stations de base et les antennes sont moindres.
Dans le mode de réalisation préféré, on fait appel à un filtre du type filtre à microbandes, aussi dénommé microstrip ou stripline, utilisant des résonateurs diélectriques. Ce type de filtre, décrit ci-dessous, est aisément intégré dans une
antenne grâce à son faible volume.
Dans une réalisation, ce filtre comprend au moins un résonateur diélectrique disposé à proximité d'une microbande pour aKénuer des ondes transmises à une fréquence donnée en résonant à ceKe fréquence avec cette
microbande.
Un tel filtre est représenté sur la figure 2. Ce filtre comprend une
microbande principale 20 transmettant des ondes radioélectriques.
Une microbande 22 de branchement est reliée à cette microbande 20.
Cette microbande 22 a une longueur de 3422/4, o \22 représente une longueur d'onde de propagation de certaines ondes transmises par la microbande 20. Pour guider les ondes radioélectriques, ces microbandes 20 et 22 sont
constituées d'un conducteur d'ondes, tel qu'un métal, sur un matériau isolant.
Dès lors, cette microbande 22 atténue des ondes de longueur d'onde \22 transmises par la microbande principale 20 en dissipant leur énergie par un phénomène de résonance à une fréquence correspondant à cette longueur d'onde L22 Par ailleurs, le centre d'un résonateur 24 diélectrique est placé à une distance \22/4 d'un branchement 23 entre la microbande 20 et la microbande 22. Ce résonateur 24 atténue des ondes de longueur d'onde \22,24 transmises par la microbande 20 en résonnant avec la microbande 22 à une fréquence correspondant
à une longueur d'onde \22,24.
Cette longueur d'onde X2224 est proche de X22. Par exemple, pour des ondes transmises avec des longueurs d'ondes de l'ordre de 1 millimètre, on observe
des différences (22 - \2224) de l'ordre de quelques centièmes de millimètres.
Un tel filtre atténue donc une gamme étroite de longueurs d'ondes
comprises entre les longueurs d'ondes \22 et L22,24, limitant ainsi l'action du filtre.
Pour atténuer une gamme plus large de longueurs d'ondes, une pluralité de
microbandes et de résonateurs correspondants doivent être utilisés.
La taille d'un tel filtre est alors importante par rapport à l'espace disponible
à l'intérieur du châssis ou bo^'tier d'une antenne.
C'est pourquoi, on prévoit un filtre à microbandes comprenant une microbande de transmission, et au moins un résonateur diélectrique qui est caractérisé en ce que le résonateur diélectrique résonne avec plusieurs microbandes de branchement, effectuant ainsi un filtrage suivant diverses longueurs d'ondes. Ainsi, la gamme des longueurs d'ondes filtrées par un seul résonateur
diélectrique est étendue.
Un tel filtre peut être utilisé indépendamment d'une antenne. C'est pourquoi, I'invention concerne, selon un second de ses aspects, un filtre à microbandes comprenant une microbande de transmission, et au moins un résonateur diélectrique qui est caractérisé en ce que le résonateur diélectrique résonne avec au moins deux microbandes de branchement. L'ensemble formé par la microbande de transmission et les deux microbandes de branchement a, par exemple, la forme d'un U. la microbande de transmission formant la base du U et le résonateur se trouvant à l'intérieur du U. Dans un mode de réalisation, on prévoit au moins deux résonateurs diélectriq ues et u ne m icroba nde de branchement tel le q ue cette dernière est util isoe pour résonner avec ces deux résonateurs diélectriques. Autrement dit, on peut
prévoir une suite de U. deux U successifs ayant une branche commune.
Selon une réalisation, un résonateur diélectrique est équidistant de deux
microbandes de branchement.
Dans une réalisation préférée, le ou ies résonateurs diélectriques utilisés
ont une permittivité relative élevée, de préférence au moins égale à 10.
Avantageusement, le filtre peut comporter des éléments de réglage pouvant être arbitrairement déplacés par rapport aux résonateurs diélectriques de
façon à modifier la fréquence de résonance de ces résonateurs diélectriques.
Par ailleurs, selon une réalisation préférée, les microbandes de branchement ont une longueur proportionnelle à m, OU ?m est une longueur d'onde
correspondant à une fréquence à filtrer.
Selon un mode de réalisation, I'antenne comporte une protection
radioélectrique pour le filtre.
Dans une réalisation de l'invention, I'antenne comprend des éléments rayonnants émettant et recevant des signaux suivant divers systèmes de
télécommunications, à des fréquences différentes.
Par exemple, on peut considérer que l'antenne transmet selon au moins
deux des trois systèmes du groupe comprenant les systèmes GSM, DCS et UMTS.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appara^tront avec la
description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée à titre
descriptif et non limitatif en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: la figure 1, déjà décrite, représente une installation d'antenne, la figure 2, déjà décrite, représente un filtre à microbandes connu, et la figure 3 représente l'intérieur d'une antenne conforme au premier aspect
de l'invention comprenant deux filtres conformes au deuxième aspect de l'invention.
Sur la figure 3 on a représenté une vue d'ensemble de l'intérieur d'une
antenne 30 multibande GSM/DCS.
Cette antenne 30 comprend des éléments rayonnants 40 GSM émettant et recevant des ondes radioélectriques suivant la bande GSM et des éléments rayonnants 44 DCS effectuant ces mêmes fonctions selon la bande de fréquences DCS. Sur la figure 3 un seul élément rayonnant 40 GSM et un seul élément
rayonnant 44 DCS sont représentés.
Les éléments rayonnants 44 DCS et 40 GSM sont reliés à des stations de
base (n on montrés) extérieu res à l' ante nne 30.
La station de base GSM est connectée à des entrées 48 et 50 tandis que la
station de base DCS est relice à des entrées 46 et 52.
L'utilisation de deux entrées d'alimentation pour un même dispositif d'éléments rayonnants est due à la nature des éléments rayonnants utilisés. En effet, chaque élément rayonnant représenté, dont le fonctionnement est décrit par exemple dans le brevet US 6.025.798, est équivalent à deux dipôles placés à 90
degrés i'un de l'autre, chacun de ces dipôles étant indépendant de l'autre.
Grâce à un tel décalage de 90 , ces éléments rayonnants 40 et 44 assurent une transmission convenable de signaux de télécommunications quelle que soit la position d'une antenne émettrice ou réceptrice par rapport à ces éléments rayonnants. Pour filtrer les ondes transmises entre la station de base GSM et les éléments rayonnants 40, I'entrée 48 est reliée à un filtre 32 tandis que l'entrée 50 est reliée à un filtre 34. Conformément à l'invention, ces filtres 32 et 34 sont à
l'intérieur du châssis ou bo^'tier 70 de l'antenne 30.
Les filtres 32 et 34 étant identiques, seule la description du filtre 32 est
effectuée ci-dessous.
Ce fiitre 32 comprend une entrée 51 reliée à l'entrce 48 GSM de l'antenne, cette entrse 51 étant aussi reliée à une première extrémité 54 d'une microbande 56
de transmission.
Cette microbande 56 est reliée, à son autre extrémité 55, à un dispositif
(non représenté) d'éléments rayonnants 40 GSM de l'antenne.
La microbande 56 est constituée d'un matériau conducteur d'ondes électromagnétiques, par exemple un métal, disposé sur un matériau isolant. Elle est reliée à des microbandes 58, 60 et 62 de branchement, disposées transversalement par rapport à cette microbande 56 de transmission et de même nature que cette dernière. Plus précisément, la microbande 58 est reliée à l'extrémité 51, la microbande 60 est raccordée à une partie centrale 61 et la microbande 62 est
connectée à l'autre extrémité 55 de la microbande 56.
Un résonateur diélectrique 64 est disposé entre les microbandes 58 et 60
tandis qu'un résonateur diélectrique 66 est situé entre les microbandes 60 et 62.
Ces réso nateu rs 64 et 66 so nt géné ra l em e nt des cé ram iq u es, par exe m ple sous forme d'alliage avec du magnésium, du calcium, du titanate, du baryum, du zinc, du zirconium ou de l'étain de façon à présenter des constantes diélectriques er
élevées, c'est-à-dire proches de, ou supérieures à, 10.
Les microbandes 58, 60 et 62 et les résonateurs diélectriques 64 et 66 ont des caractéristiques et sont disposés de façon telle que certaines fréquences sont atténuées par une dissipation d'énergie due aux résonances des microbandes transversales 58, 60 et/ou 62 et des résonateurs 64 et/ou 66 couplés avec ces
microbandes transversales 58, 60 et/ou 62.
Dans cette réalisation, les microbandes 58, 60 et 62 ont une longueur sensiblement égale à 3\m/4, O m représente une longueur d'onde correspondant à
une fréquence à atténuer.
Dès lors, la microbande 58 atténue les ondes de longueurs d'onde m en
résonnant à la fréquence correspondant à cette longueur d'onde vm.
Par ailleurs, le résonateur 64 est équidistant des microbandes 58 et 60 et son centre est distant de Em/4 de l'extrémité 51, c'est-à-dire de la jonction entre la
microbande 56 de transmission et la microbande 58.
Ce résonateur 64 résonne alors suivant une longueur d'onde m/64 avec la microbande 58 lorsqu'une onde de longueur d'onde m est transmise par la
microbande 56 de transmission.
Cette résonance dissipe l'énergie des ondes de longueur d'onde m/64,
atténuant ainsi ces dernières.
La microbande 60 atténue aussi des ondes par résonance. Toutefois, on constate expérimentalement que cette résonance s'effectue à une longueur d'onde
\60 décalée de la longueur d'onde m.
En outre, le résonateur 64 est aussi couplé avec la microbande 60. Ce dernier dissipe alors une énergie associée à une longueur d'onde \60/64 par résonance, atténuant ainsi les ondes transmises avec cette longueur d'onde X60/64 Le résonateur 66 est équidistant des microbandes 60 et 62. Son centre est distant de m/4 du branchement 61 et on constate que ce résonateur 66 résonne avec la microbande 60 à une fréquence correspondant à une longueur d'onde \60/66 Les ondes transmises par la microbande principale 56 sont ensuite filtrées par la microbande 62. En effet, cette microbande atténue des ondes transmises avec une longueur d'onde \62 en dissipant de l'énergie par résonance à cette
longueur d'onde.
En outre, le centre du résonateur 66 étant distant de m/4 du branchement de la microbande 62, ce résonateur résonne avec la microbande 62 à une fréquence correspondant à une nouvelle longueur d'onde \62/64 Dans une variante non représentée, le résonateur 66 est utiiisé uniquement en résonance avec la microbande 62. Dans ce cas, le résonateur 66 est
suffisamment distant de la microbande 60 pour ne pas résonner avec cette dernière.
Dans ce cas, pour obtenir une atténuation des ondes d'une longueur d'onde Vm donnse, la longueur de la microbande 62 est fixée expérimentalement à une valeur proche de 3L'm/4, tandis que le résonateur 66 est placé à Vm/4 du
branchement 55.
Ainsi, quel que soit le mode de réalisation du filtre, des ondes transmises par la microbande 56 sont atténuees suivant une série de longueurs d'ondes
couvrant une bande étendue.
De façon expérimentale, on observe qu'une bande de fréquences d'une largeur comprise entre 1 et 5 % est atténuée - la largeur d'une bande étant définie par (\max min)l( ( max + min)/2), OU, à - 3 dB de gain d'atténuation, max représente la plus grande longueur d'onde atténuée et min est la plus petite longueur d'onde
atténuce.
Ce filtre effectue donc une fonction équivalente à plusieurs filtres à microbandes connus, c'est-à-dire associant un résonateur à une microbande de branchement. Grâce au nombre réduit de résonateurs diélectriques, la taille du filtre est compatible avec l'espace restreint disponible à l'intérieur des châssis d'antennes
pour disposer un filtre.
Dans une variante non représentée, les microbandes 58,60 et 62 ont une
longueur de 3?m/4 et sont reliées à leurs extrémités à la masse.
Dans ce cas, les centres des résonateurs 64 et 66 sont distants de ml2 du branchem ent entre la microbande princi pale et les microbandes de bra nchement
pour résonner avec les microbandes de branchement.
De façon à adapter le filtrage du dispositif 32 à différentes longueurs d'ondes, le filtre 32 comprend des éléments 68 de réglage modifiant la longueur
d'onde atténuée par résonance.
Pius précisément, ces éléments 68, reliés à la masse, influent sur l'effet capacitif du résonateur- qui peut être simulé par un circuit RLC o le condensateur est en parallèle. Dès lors, approcher un élément 68 d'un résonateur implique une augmentation de son effet capacitif et, en conséquence, une augmentation de la
fréquence de résonance.
De fait, le déplacement de ces éléments 68 modifie ces influences, et, en conséquence, la longueur d'onde de résonance des résonateurs diélectriques. Dans cette réalisation, le filtre 32 est protégé des ondes radioalectriques, et notamment des ondes émises par les éléments rayonnants 40 GSM et 44 DCS de l'antenne, par une protection 31 métallique recouvrant l'ensemble de ses éléments constitutifs. Par ailleurs, le filtre 32 est proche des éléments rayonnants 40 GSM et 44 DCS. Dès lors, la dégradation et les pertes des ondes transmises par ce filtre 32 sont moindres que lorsque ces ondes sont transmises sur de plus longues distances
- ce qui est le cas lorsque le filtre est à l'extérieur de l'antenne.
L'utilisation de résonateurs de constante diélectrique élevée engendre des gains de filtrage pouvant être supérieurs à -20 dB, nettement accrus par rapport aux gains des filtres à microbandes sans résonateur diélectrique, de l'ordre de -5 dB. En termes de facteur de qualité Q. un filtre microbande couplé avec un résonateur diélectrique atteint des valeurs de 500 ou 1000 tandis que des valeurs de 50 ou 200 sont caractéristiques pour des filtres microstrips sans résonateur diélectrique. Ces gains d'atténuation élevés sont particulièrement utiles dans le cas de systèmes de télécommunications fonctionnant suivant des bandes de fréquences proches. En effet, dans ce cas, les éléments rayonnants utilisant une première bande de fréquences détériorent les transmissions effectuees suivant une deuxième
bande voisine de cette première bande, et réciproquement.
Cette situation se produit, par exemple, quand on prévoit simultanément des transmissions DCS et UMTS, ou "Universal Moblie Telecommunication
System", utilisant la bande de fréquences 1910-2100 MHz.
L'antenne selon l'invention peut être utilisée pour constituer une cellule de
base d'un réseau de télécommunications.
La présente invention est susceptible de nombreuses variantes. Ainsi, dans une variante non représentée, les filtres 32 et 34 sont placés au dos de l'antenne,
c'est-à-dire derrière les éléments rayonnants.
Claims (13)
1. Antenne (30) de télécommunications transmettant des ondes radioélectriques dans le domaine des hyperfréquences au moyen d'éléments rayonnants (40; 44), ces éléments rayonnants (40; 44) étant situés dans un même châssis ou bo^'tier (70), caractérisée en ce qu'au moins un filtre (32; 34) atténuant des fréquences extérieures à une bande de fréquences propre à un système de communication utilisé par l'antenne (30) est disposé à l'intérieur du bo^'tier (70)
de l'antenne (30).
2. Antenne selon la revendication 1 caractérisse en ce que le filtre (32; 34) est du
type à microbandes.
3. Antenne selon la revendication 2 caractérisoe en ce que le filtre (32; 34) comprend au moins un résonateur diélectrique (64; 66) disposé à proximité d'une microbande (56; 58; 60; 62) pour atténuer des ondes transmises à une fréquence donnée en résonant à cette fréquence avec cette microbande (56;
58; 60; 62).
4. Antenne selon la revendication 3 caractérisée en ce que le filtre (32; 34) comprend au moins une microbande de transmission (56) guidant les ondes filtrées, au moins deux microbandes de branchement (58; 60; 62) reliées à cette microbande de transmission (56) et au moins un résonateur diélectrique (64; 66) placé entre ces microbandes de branchement (58; 60; 62) de sorte que des ondes de fréquences déterminées s'atténuent par dissipation d'énergie suite à ia résonance à ces fréquences déterminées de ce résonateur
diélectrique (64; 66) avec les microbandes de branchement (58; 60; 62).
5. Antenne selon la revendication 4, caractérisse en ce que le résonateur diélectrique (64; 66) est équidistant de deux microbandes de branchement
(58; 60; 62).
6. Antenne selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que la microbande de transmission (56) et les deux microbandes de branchement (58; 60; 62) ont la forme générale d'un U dont la base est formée par la microbande de
transmission (56).
7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce
qu'elle comporte au moins deux résonateurs diélectriques (64; 66) et en ce qu'une microbande de branchement (56) est utilisée pour résonner avec deux
résonateurs diélectriques (58; 60; 62).
8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 3 ou 7, caractérisée en ce
que le résonateur diélectrique (64; 66) a une permittivité relative élevée, de
préférence au moins égale à 10.
9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisée en ce
que le filtre (32; 34) comporte des éléments de réglage (68) pouvant être arbitrairement déplacées par rapport aux résonateurs diélectriques (64; 66) de façon à modifier la fréquence de résonance des ces résonateurs diélectriques
(64; 66).
10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisée en ce
que les microbandes de branchement (58; 60; 62) ont une longueur proportionnelle à m, OU m est une longueur d'onde correspondant à une
fréquence à filtrer.
11. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée
en ce qu'elle comporte une protection radioélectrique (31) pour le filtre.
12. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée
en ce qu'elle comprend des éléments rayonnants (40; 44) émettant et recevant des signaux suivant divers systèmes de télécommunications, à des fréquences différentes.
13. Antenne selon la revendication 12 destince à transmettre selon au moins deux
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