FR2925232A1 - Reseau d'antennes a couplage electromagnetique reduit - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un système d'antenne comportant au moins une première antenne(20) et au moins une deuxième antenne (22), chacune comprenant des éléments rayonnants (21, 23) espacés et alignés selon l'axe longitudinal de l'antenne, la deuxième antenne (22) étant disposée à faible distance et parallèlement à la première antenne (20), caractérisé en ce que le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal passant par un élément rayonnant (21) de la première antenne (20) est décalé dans la direction de l'axe longitudinal par rapport au plan perpendiculaire à l'axe longitudinal passant par l'élément rayonnant (23) de la deuxième antenne (22) qui lui est le plus proche.
Description
Réseau d'antennes à couplaqe électromagnétique réduit La présente invention se rapporte à un système d'antennes radiofréquence de type panneau utilisés pour les services de télécommunications, la télémétrie, le suivi, les 5 radars, etc ... Une antenne de télécommunications, par exemple du type de celles implantées dans une station de base d'un réseau de téléphonie mobile, émet et reçoit des ondes radioélectriques suivant des fréquences propres à un système de télécommunications exploité par cette antenne. Pour cela, une station de base alimente chaque antenne 10 avec des ondes de fréquences comprises dans une bande exploitée par cette dernière. Ainsi, certaines antennes destinées au système GSM (Global System for Mobile Communications) utilisent des ondes de fréquences comprises dans la bande 870-960 MHz, et d'autres antennes destinées au système UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) utilisent des ondes de fréquences comprises dans la 15 bande 1710-2170 MHz. De nombreuses applications impliquent donc de placer côte à côte deux ou plusieurs antennes de type panneaux. Mais cette configuration nécessite de minimiser le couplage électromagnétique qui en résulte entre les éléments rayonnants des antennes voisines. Le couplage électromagnétique entre antennes a des conséquences néfastes, 20 non seulement sur le niveau d'énergie électromagnétique provenant de l'antenne et susceptible d'être reçu par l'une ou l'autre des antennes voisines (appelé découplage entre antennes), mais aussi sur d'autres effets liés au spectre de radiation de l'antenne tel que l'écart à la stabilité des performances spectrales. Actuellement, pour associer deux ou plusieurs antennes placées côte à côte, 25 par exemple dans un radome commun, on s'efforce de sélectionner des antennes présentant des contraintes similaires et de les disposer de manière symétrique par rapport à l'axe du radome. Mais cette solution rend l'installation d'un tel système plus complexe et plus coûteuse. 30 Alternativement, afin de réduire le couplage entre éléments rayonnant, les fabricants ont pensé aussi à augmenter la distance latérale physique séparant les rangées d'éléments. Par exemple le document US-2002/180,439 décrit une installation pour imagerie par résonnance magnétique (IRM) comportant un dispositif de détection ayant des conducteurs parallèles de longueur nk/4, où X, est la longueur d'onde du signal et n est un entier supérieur ou égal à 1. Il prévoit que le rapport s/h de la distance s séparant deux éléments rayonnants à la hauteur h de la pièce d'enveloppement de l'antenne, est tel que s/h 2,5. Mais si cette solution se révèle efficace pour réduire le couplage, l'éloignement latéral des éléments rayonnants a pour inconvénient une augmentation notable du volume global du système d'antennes.
Une autre solution envisagée pour la réduction du couplage électromagnétique indésirable est l'ajout de pièces supplémentaires diélectriques ou conductrice (en métal) et disposées entre les antennes ou à l'intérieur de l'antenne. En pratique, ce type de solution est fonctionnellement efficace mais nécessite une longue phase de calcul et d'essais de simulation en vue de parvenir à réduire le couplage des antennes sans détériorer les performances antérieures de chaque antenne. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients de l'art antérieur et, en particulier de proposer une solution alternative pour réduire le couplage entre les éléments rayonnants d'antennes voisines qui limite l'augmentation du volume global de l'ensemble du système d'antennes.
L'objet de la présente invention est un système d'antenne comportant au moins une première antenne et au moins une deuxième antenne, chacune comprenant des éléments rayonnants espacés et alignés selon l'axe longitudinal de l'antenne, la deuxième antenne étant disposée à faible distance et parallèlement à la première antenne.
Selon l'invention, le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal passant par un élément rayonnant de la première antenne est décalé dans la direction de l'axe longitudinal par rapport au plan perpendiculaire à l'axe longitudinal passant par l'élément rayonnant de la deuxième antenne qui lui est le plus proche. De préférence, le décalage longitudinal entre la première antenne et la deuxième antenne est tel que la direction du rayonnement maximum d'un élément rayonnant de la première antenne se trouve entre deux éléments rayonnants de la deuxième antenne.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le décalage longitudinal entre la première antenne et la deuxième antenne est égal à la moitié de la distance séparant les éléments rayonnants. L'utilisation de l'invention ne dépend pas de la taille physique du système 5 d'antenne, ni de sa bande de fréquence, ni de sa polarisation, ni de la multi polarisation du système. Les antennes ainsi placées côte à côte n'augmentent que très faiblement la longueur totale du système et les performances mécaniques de l'ensemble du système restent inchangées notamment vis-à-vis du taux de résistance à la vitesse du vent. 10 Grâce à l'invention, la méthodologie de réduction du couplage entre antennes se trouve simplifiée, et l'impact sur les caractéristiques de l'antenne et sur son encombrement est très réduit. L'invention convient à toute application comprenant l'utilisation de deux ou plusieurs antennes panneau placées côte à côte, telle que les services de 15 télécommunication, la télémétrie, le suivi de mobile, les radars, etc... 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 - la figure 1 montre schématiquement vue de dessus la position respective de deux 20 antennes panneau dans laquelle se produit un couplage électromagnétique important entre les éléments rayonnants, - la figure 2 est une vue en perspective schématique d'un élément rayonnant, -la figure 3 représente schématiquement vue de dessus la position respective de deux antennes panneau selon un mode de réalisation de l'invention dans laquelle le couplage 25 électromagnétique entre les éléments est réduit, - la figure 4 est analogue à la figure 2 pour un système comprenant une pluralité d'antennes, - la figure 5 est une vue en perspective d'une antenne selon un mode de réalisation particulier de l'invention. 30 Sur la figure 1, on voit une première antenne 1 comportant une rangée d'éléments rayonnants 2 alignés à une égale distance d les uns des autres selon l'axe W-W' de l'antenne 1. La première antenne 1 de type panneau a une longueur L très supérieure à sa largeur I. Une deuxième antenne 3 de type panneau, analogue à l'antenne 1, comporte une rangée d'éléments rayonnants 4 alignés à égale distance d les uns des autres selon l'axe X-X' de l'antenne 3. La deuxième antenne 3 est placée à côté de la première antenne 1 parallèlement et à une faible distance, de telle sorte que les éléments rayonnants 2 et 4 se trouvent dans un même plan A-A' perpendiculaire aux axes X-X' et Y-Y', et soient séparés d'une distance D1.
Les éléments rayonnants 2, 4 sont à double polarisation, c'est à dire constitués de deux dipôles 2a, 2b et 4a, 4b perpendiculaires concentriques : un dipôle 2a, 4a en polarisation +45° et un dipôle 2b, 4b en polarisation -45° qui sont isolés l'un de l'autre du point de vue radiofréquence. Comme le montre plus en détail la figure 2, pour un élément rayonnant 2 donné, le dipôle 2a en polarisation +45° rayonne avec un maximum d'intensité dans la direction 5 perpendiculaire à son axe longitudinal et le dipôle 2b en polarisation -45° rayonne avec un maximum d'intensité dans la direction 6 perpendiculaire à son axe longitudinal. De même, pour un élément rayonnant 4 donné, le dipôle 4a en polarisation + 45° rayonne avec un maximum d'intensité dans la direction 7 perpendiculaire à son axe longitudinal. Dans la disposition de la figure 1, on voit que les deux directions 5 et 7 se superposent. On comprend donc qu'un couplage électromagnétique se produit inévitablement entre les éléments rayonnants 2 et 4. En augmentant la distance Dl afin de réduire ce couplage, on accroît l'encombrement du système. A partir de calculs théoriques, on constate qu'il est nécessaire de doubler la distance entre les axes respectifs des deux antennes pour obtenir une réduction du couplage de 3dB. Par exemple, pour deux antennes dont les axes sont initialement séparés de 170mm, la réduction du couplage de 3dB nécessiterait d'augmenter cette distance à 340mm, soit une largeur totale du système d'antenne double passant de 340mm à 510mm ce qui représente une augmentation de largeur de 50%. Selon un mode de réalisation du système d'antennes de l'invention, on a représenté sur la figure 3, une première antenne 20 comprenant des éléments rayonnants 21 alignés à une égale distance d les uns des autres selon l'axe Y-Y' de l'antenne 20, et une deuxième antenne 22 comprenant des éléments rayonnants 23 alignés à une égale distance d les uns des autres selon l'axe Z-Z' de l'antenne 22. La deuxième antenne 22 est placée à côté de la première antenne 20 parallèlement et à une faible distance. La première antenne 20 est dans une position relative par rapport à la deuxième antenne 22 qui est décalée dans le sens de la flèche 24 selon la direction de l'axe longitudinal Y- Y' d'une longueur d/2, soit la moitié de la distance d séparant deux éléments rayonnants 21 adjacents. Le plan A-A' perpendiculaire à l'axe Y-Y' et passant par un élément rayonnant 21 est ainsi déplacé d'une longueur d/2 dans le sens de la flèche 24 par rapport au plan B-B' perpendiculaire à l'axe Z-Z' et passant par un élément rayonnant 23. De ce fait, un élément rayonnant 21 de la première antenne 20 est distant d'une distance D2 de l'élément 23 de l'antenne 22 qui lui est le plus proche. Le décalage entre les deux antennes 20, 23 est tel que le rayonnement maximum du dipôle 21a, par exemple, des éléments rayonnants 21 de la première antenne 20 s'effectue dans une direction 25 qui passe entre les éléments rayonnants 23 de la deuxième antenne 23. Dans cette disposition, on réalise un couplage minimum entre les éléments 21 et 23, alors que l'encombrement total du système d'antenne double a été augmenté d'un volume minime. A titre d'exemple, on considère le cas d'un système d'antenne double dont chaque antenne comprenant dix éléments rayonnants a une longueur 10d. Un décalage d'une distance d/2 dans la direction de l'axe longitudinal du plan perpendiculaire à l'axe longitudinal passant par un élément rayonnant de la première antenne par rapport au plan perpendiculaire à l'axe longitudinal passant par l'élément rayonnant de la deuxième antenne qui lui est le plus proche, conduit à une augmentation de la surface du système de 5% seulement. Ce mode de réalisation concerne des antennes panneau comprenant quelques éléments rayonnants identiques disposés de manière répétitive à égale distance d les uns des autres. Ces éléments seront à la distance maximale les uns des autres si le décalage correspond à la moitié de la distance inter-éléments d/2. Dans le cas où les éléments rayonnants d'une première antenne sont distants d'une distance H1 et ceux d'une deuxième antenne sont distants de H2, le meilleur compromis pour la distance de décalage pourrait être égal à (H1+H2)/4. Ce cas concerne notamment le cas de bandes de fréquence se trouvant dans le même plage telles que celles des systèmes DCS et UMTS. Cependant, dans le cas des antennes à double polarisation, l'énergie reçue par chaque élément rayonnant est la somme de l'énergie provenant des autres éléments rayonnants de même polarisation et de l'énergie provenant des éléments rayonnants de l'autre polarisation. Selon les cas, et en supposant que le couplage d'énergie entre des éléments rayonnants de même polarisation est différent du couplage d'énergie entre des éléments rayonnants de polarisation différente, la distance le plus appropriée pour réduire le couplage résultant peut être différente de la demi-distance inter- éléments du cas simplifié décrit précédemment.
En pratique la distance optimale doit être déterminée pour chaque cas particulier de système d'antennes, en tenant compte des différences en phase et amplitude de l'alimentation de leurs éléments rayonnants L'invention s'applique aussi à des systèmes comprenant plusieurs antennes. Le système 30 représenté sur la figure 4 comporte des antennes 31a-31n, les antennes contiguës étant décalées respectivement les unes par rapport aux autres d'une distance e dans le sens longitudinal, de manière à ce que les éléments rayonnants 32 de deux antennes adjacentes 31a, 31b ne se trouvent pas dans le même plan perpendiculaire à la direction de l'axe des antennes 31a, 31b.
On a représenté en perspective sur la figure 5 un mode de réalisation d'un système d'antenne 40 conforme à la présente invention, comportant une première antenne 41 et une deuxième antenne 42. Chaque antenne 41, 42 comprend respectivement un alignement d'éléments rayonnants 43, 44 analogues alimentés par l'intermédiaires de connecteurs 45. Les éléments rayonnants 43 de la première antenne 41 sont décalés dans le sens longitudinal d'une distance telle que chaque élément 43 soit à égale distance des éléments rayonnants 44 les plus proches de l'autre antenne 42.
Claims (3)
1. Système d'antenne comportant au moins une première antenne (20) et au moins une deuxième antenne (22), chacune comprenant des éléments rayonnants (21,23) espacés et alignés selon l'axe longitudinal de l'antenne, la deuxième antenne (22) étant disposée à faible distance et parallèlement à la première antenne (20), caractérisé en ce que le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal passant par un élément rayonnant (21) de la première antenne (20) est décalé dans la direction de l'axe longitudinal par rapport au plan perpendiculaire à l'axe longitudinal passant par l'élément rayonnant (23) de la deuxième antenne (22) qui lui est le plus proche.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel le décalage longitudinal entre la première antenne (20) et la deuxième antenne (22) est tel que la direction du rayonnement maximum d'un élément rayonnant (21) de la première antenne (20) se trouve entre deux éléments rayonnants (23) de la deuxième antenne (22).
3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le décalage longitudinal entre la première antenne (20) et la deuxième antenne (22) est égal à la moitié de la distance séparant les éléments rayonnants (21, 23). 7
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