FR2960710A1 - Element rayonnant a double polarisation d'antenne multibande - Google Patents

Element rayonnant a double polarisation d'antenne multibande Download PDF

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Abstract

Un élément rayonnant à double polarisation pour une antenne multibande, comporte un support à constante diélectrique élevée disposé sur un réflecteur, au moins une première et une deuxième paires de dipôles imprimés sur une première face du support, et des lignes conductrices, pour alimenter chaque dipôle, imprimées sur une seconde face du support. Le support a une forme sensiblement cylindrique et les dipôles de la première paire sont sensiblement orthogonaux aux dipôles de la seconde paire.

Description

Élément rayonnant à double polarisation d'antenne multibande La présente invention se rapporte au domaine des antennes multibande de station de base pour les radiocommunications. Ces antennes sont le plus souvent de type "panneau" et comportent des éléments rayonnants à double polarisation qui sont habituellement alignés.
Un élément rayonnant à double polarisation comprend généralement deux dipôles (ou systèmes de dipôles) croisés à polarisation orthogonale ± 45°, un pour la génération du signal de première polarisation (-45°) et l'autre pour générer le signal de la seconde polarisation (+45°). Les technique de réalisation des éléments rayonnantes sont diverses.
Les principales conditions requises pour un élément rayonnant, utilisé dans les antennes panneau de station de base, sont notamment les suivantes: a) les performances radioélectriques de l'élément rayonnant (impédance, isolation entre les deux polarisations, diagramme rayonnant) doivent être bonnes et stables sur une très large bande de fréquence, b) la surface de distribution du courant radiofréquence (RF) doit être suffisante afin de permettre d'utiliser un réflecteur de petite taille pour l'antenne, avec la réduction de coût associée, c) la structure pour l'alimentation de l'élément rayonnant doit être simple, comme par exemple un seul câble coaxial pour alimenter chaque polarisation de l'élément rayonnant, d) la structure de l'élément rayonnant doit de préférence permettre l'utilisation de plusieurs éléments rayonnants alignés selon un axe commun, afin de permettre l'intégration d'antennes multibandes, e) l'élément rayonnant doit être de plus faible coût possible (utilisation de faible quantité de matériau, temps d'assemblage court, nombre de pièces réduit et coût de travail modéré).
Plusieurs familles d'éléments rayonnants à double polarisation sont déjà bien connues et utilisées par les fabricants des différents types d'antennes. Mais aucun des éléments rayonnants existants ne remplit simultanément et complètement les cinq conditions exposées précédemment.
Une première famille comprend des éléments rayonnants coaxiaux, chacun formés de deux dipôles orthogonaux demi-onde. A condition que la forme des dipôles soit bien conçue, les performances radioélectriques de ces éléments rayonnants sont bonnes. Cependant tous ces éléments rayonnants ont en commun une surface limitée pour la distribution du courant RF qui est uniquement concentrée sur les deux dipôles orthogonaux demi-onde. En conséquence, un réflecteur large est nécessaire pour atteindre une largeur de faisceau horizontal donnée sur l'antenne (65 ° par exemple), ce qui induit des coûts supplémentaires sur la structure de l'antenne (radôme plus large, etc...). Cette première famille d'éléments rayonnants ne respecte donc pas la condition (b) exposée précédemment.
Une deuxième famille comprend des éléments rayonnants, chacun formé de deux dipôles demi-onde séparés par une distance d'environ la moitié de la longueur d'onde à la fréquence d'opération. Les performances radioélectriques sont bonnes. La surface de distribution du courant RF est large permettant d'obtenir la largeur de faisceau d'antenne souhaité avec une taille limitée du réflecteur. Cependant les éléments rayonnants doivent être alimentés en quatre points (deux points pour chaque polarisation) induisant de la complexité et un coût supplémentaire du réseau d'alimentation. Cette deuxième famille d'éléments rayonnants ne respecte donc pas les conditions (c) et (e) exposées précédemment. Une certaine surface est disponible au centre de l'élément rayonnant de telle sorte qu'il est possible d'ajouter un élément rayonnant pour le fonctionnement multibandes afin de satisfaire la condition (d). Il existe une variante d'élément rayonnant appartenant à la deuxième famille. Cet élément rayonnant a une surface suffisante pour la distribution du courant RF et il est alimenté uniquement en deux points (un point par polarisation). Notamment grâce à la technique de moulage, le temps de montage et le coût en matériau peut être contrôlé.
Une limitation majeure de ce type d'élément rayonnant est l'intégration multibande. En effet, l'addition d'éléments rayonnants pour la bande à haute fréquence nécessitent d'utiliser la technique de superposition d'éléments rayonnants. Cela qui signifie que l'élément rayonnant supérieur ne peut pas utiliser le réflecteur commun pour générer son diagramme de rayonnement. Les éléments rayonnants inférieurs sont alors utilisés comme réflecteurs, mais leur surface est très faible. Cette variante de la deuxième famille de éléments rayonnants ne respecte que partiellement la condition (d) exposée précédemment.
Une troisième famille comprend des éléments rayonnants de type patch à double polarisation (demi-onde). Les performances radioélectriques ne sont pas aussi bonnes que pour des éléments rayonnants formés de dipôles, en particulier en termes de bande passante, la condition (a) n'est qu'en partie satisfaite. Cet élément rayonnant a une surface de distribution du courant RF suffisante, de sorte qu'il peut être utilisé avec un réflecteur de dimension réduite. La structure d'alimentation est simple puisque chaque élément rayonnant à double polarisation peut être alimenté avec seulement deux câbles coaxiaux. L'élément rayonnant patch peut être conçu de manière à avoir un faible coût. Il est possible d'ajouter un autre élément rayonnant au-dessus de l'élément rayonnant patch. Dans ce cas, l'élément rayonnant ajouté doit être alimenté à travers l'élément patch, ce qui n'est pas facile. Toutefois l'élément rayonnant supérieur ne peut pas utiliser le réflecteur commun pour générer son diagramme de rayonnement, mais doit utiliser l'élément rayonnant patch situé en-dessous de lui comme réflecteur, avec l'inconvénient d'une surface réduite. Cette troisième famille d'éléments rayonnantes ne respecte donc que partiellement la condition (d) exposée précédemment.
La présente invention a pour but de proposer un élément rayonnant à double polarisation pour une antenne multibande, qui remplisse simultanément et complètement toutes les conditions exposées précédemment. L'objet de la présente invention est un élément rayonnant à double polarisation pour une antenne multibande, comportant - un support à constante diélectrique élevée disposé sur un réflecteur, - au moins une première et une deuxième paires de dipôles imprimés sur une première face du support, - des lignes conductrices, pour alimenter chaque dipôle, imprimées sur une seconde face du support, le support ayant une forme sensiblement cylindrique et les dipôles de la première paire étant sensiblement orthogonaux aux dipôles de la seconde paire.
De préférence, la première face portant les dipôles est la face extérieure du support. Selon un premier aspect, l'axe transversal passant par le milieu des dipôles est à une distance du réflecteur qui est de l'ordre d'un quart de la longueur d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement. Selon un deuxième aspect, les axes médians passant par les milieux de deux dipôles consécutifs sont distants de l'ordre d'une demi-longueur d'onde. Selon un troisième aspect, la paire de dipôles est alimentée par un seul câble coaxial.
Selon un quatrième aspect, le support est constitué d'un matériau de constante diélectrique élevée et de faible épaisseur. Selon un mode de réalisation, l'élément rayonnant comporte au moins deux groupes de dipôles. Chaque groupe de dipôles comprend au moins une première et une deuxième paires de dipôles portés par le support, et chaque groupe de dipôles opère dans une bande de fréquences différente. Selon une variante de réalisation, le support forme des cylindres concentriques reliés entre eux, chaque cylindre portant un groupe de dipôles et chaque groupe de dipôles opérant dans une bande de fréquence différente. L'invention a encore comme objet une antenne multibande comprenant un premier élément rayonnant tel que décrit précédemment, et comprenant en outre au moins un deuxième élément rayonnant disposé sur le réflecteur au centre du cylindre formé par le support du premier élément rayonnant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours des exemples suivants de réalisation, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel - la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention, - les figures 2a et 2b montre respectivement les dipôles et les lignes d'alimentation de l'élément rayonnant de la figure 1, - la figure 3 représente le rapport d'onde stationnaire SWR de chaque paire de dipôles en fonction de la fréquence F en MHz pour l'élément rayonnant de la figure 1, - la figure 4 représente le découplage K entre les deux paires de dipôles en dB en fonction de la fréquence F en MHz pour l'élément rayonnant de la figure 1, - la figure 5 représente un deuxième mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention, - la figure 6 représente un troisième mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention, - la figure 7 est une vue schématique en perspective d'un quatrième mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention, - les figures 8a et 8b montrent respectivement les dipôles et les lignes l0 d'alimentation de l'élément rayonnant des figures 7a et 7b, Dans un premier mode de réalisation de l'invention illustré sur les figures 1, 2a et 2b, l'élément rayonnant 1 à double polarisation est formé de deux dipôles 2 demi-onde et comportant chacun une ligne conductrice 3 d'alimentation. Les dipôles 2 sont portés par un support 4 commun qui est fixé sur un réflecteur 5. L'élément rayonnant 1 est 15 réalisé par conformation du support 4 commun sur une forme cylindrique. Le support 4 cylindrique ainsi obtenu est alors positionné sur un réflecteur 5 commun à plusieurs éléments rayonnants 1. Dans cet exemple de réalisation, les dipôles 2 sont imprimés sur une première face 6 extérieure du support 4 commun. Chaque dipôle 2 est alimenté par une ligne 20 conductrice 3 située sur la seconde face 7 intérieure opposée du support 4. La ligne conductrice 3 d'alimentation est par exemple de type "microruban" ("microstrip" en anglais) et imprimée directement sur le support 4. Ce support 4 commun, ayant une circonférence de l'ordre de deux longueur d'onde 21, est en un matériau isolant de constante diélectrique élevée, de faible épaisseur et de coût réduit. Alternativement l'air 25 peut aussi constituer un support, dans ce cas les dipôles et tes microrubans d'alimentation peuvent être constitués de plaques métalliques reliées par des éléments isolants. Chaque paire de dipôle 2 est alimentée en un seul point par un câble coaxial 8 traversant le réflecteur 5. On obtient ainsi un groupe de deux paires de dipôles 2 demi-onde à la 30 fréquence centrale de la bande de fréquences d'exploitation. L'axe 9 transversal passant par le milieu des dipôles 2 est situé à une distance L d'environ un quart de longueur d'onde (?J4) au-dessus de la surface du réflecteur 5. Les axes 14 médians passant par le milieu des dipôles 2 contigus sont distants l'un de l'autre d'une distance D de l'ordre d'une demie longueur d'onde (2J2). L'axe 11 diagonal passant par le milieu de chacun des dipôles 2 de la première paire est positionné avec un angle de 45 ° par rapport à l'axe longitudinal 12 du réflecteur 5 afin de créer la polarisation de -45°, et l'axe 13 diagonal passant par le milieu de chacun des dipôles 2 de la seconde paire crée de la même façon la polarisation de +45 °. Les paramètres de transmission et de réflexion des deux paires de dipôles de l'élément rayonnant, mesurés dans la bande de fréquence de 600 à 1100 MHz, sont représentés sur les figures 3 et 4. Ces résultats montrent des caractéristiques très stables dans une large bande de fréquences.
Sur la figure 3 est représenté le rapport d'onde stationnaire SWR de chaque paire de dipôles en fonction de la fréquence F en MHz. Le rapport d'onde stationnaire SWR (pour "Standing Wave Ratio" en anglais) est inférieur à 1,5 pour un domaine de fréquences F allant de 650 à 1050 MHz, soit une largeur de bande correspondant à 47% de la fréquence centrale de la bande de fréquence.
Sur la figure 4 est représenté le découplage K en dB entre les deux paires de dipôles en fonction de la fréquence F en MHz, le découplage K est supérieur à 20 dB pour un domaine de fréquences allant de 650 à 1100 MHz. On considérera maintenant la figure 5 qui illustre un autre mode de réalisation d'un élément rayonnant 50 à double polarisation, fonctionnant par exemple à une fréquence GSM de l'ordre de 900MHz, permettant de former une antenne fonctionnant dans une double bande de fréquences. La forme cylindrique du support 51 de l'élément rayonnant 50 laisse une large zone 52 vide en son centre. Cette zone 52 libre peut être utilisée pour ajouter, au centre de l'élément rayonnant 50, un autre élément rayonnant 53 travaillant dans une bande de fréquences supérieures (DCS 1800MHz dans cet exemple). L'élément rayonnant 53 peut être formé de deux dipôles orthogonaux demi-onde. Ce peut être par exemple un élément rayonnant appartenant à la première famille précédemment décrite, ou bien un élément rayonnant pouvant avoir toute autre forme. La hauteur de cet élément rayonnant 53 opérant à bande de fréquence plus élevée est d'environ un quart de longueur d'onde (X14). Comme l'élément rayonnant 53 à bande de hautes fréquences est placé au-dessus du réflecteur commun 54, les caractéristiques de son diagramme de rayonnement sont conservées.
La figure 6 illustre un autre mode de réalisation d'un élément rayonnant 60 à double polarisation, fonctionnant par exemple à une fréquence CDMA de l'ordre de 800 MHz, permettant de former une antenne fonctionnant dans une double bande de fréquences.
Comme la zone 61 vide au milieu du cylindre formé par le support 62 de l'élément rayonnant 60 est très large, il est possible d'y insérer un élément rayonnant 63 travaillant à plus basses fréquences et ayant des dimensions importantes. Le diamètre du support 62 cylindrique dépend de la longueur d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement dans la bande de fréquences la plus élevée (dans cet exemple 800 MHz). L'élément rayonnant 63, dit de type « papillon », est formé de deux dipôles croisés à polarisation orthogonale ± 45°. L'élément rayonnant 63 inséré au centre du support 62 cylindrique travaille dans une bande de plus basses fréquences (par exemple LTE 700 MHz). Il est ainsi possible de construire une antenne fonctionnant dans une double bande à des fréquences relativement proches, comme par exemple LTE 700 MHz et CDMA 800 MHz, en partant de l'élément rayonnant 62 à double polarisation. Les deux éléments rayonnants 62 et 63, disposés de manière concentrique, utilisent le réflecteur 64 commun et la largeur de l'antenne peut être réduite en conséquence. Sur les figures 7, 8a et 8b, est représenté un élément rayonnant 70 à double polarisation capable de fonctionner dans plusieurs bandes de fréquences. L'élément rayonnant 70 multibande est réalisé d'une seule pièce. Tous les dipôles et les lignes d'alimentation nécessaires au fonctionnement de l'élément rayonnant 70 sont portés par un support 71 commun fixé sur un réflecteur 72 commun. Ce substrat 71 peut être d'un coût faible et comportant une quantité réduite de matériau isolant. Dans cet exemple, l'élément rayonnant 70 est un élément tribande. Trois groupes 73, 74, 75 de quatre dipôles 73a...73d, 74a...74d, 75a...75d sont imprimés sur une première face 76 extérieure du support 71 commun. Chaque groupe 73, 74, 75 correspond a une bande de fréquences différente. Chaque dipôle 73a...73d, 74a...74d, 75a...75d est individuellement alimenté par une ligne microruban 73e...73h, 74e...74h, 75e...75h imprimée sur la seconde face 77 intérieure opposée du support 71 commun. Chaque groupe 73, 74, 75 de quatre dipôles est alimenté par seulement deux câbles coaxiaux 78 traversant le réflecteur 72, conduisant à un total de six câbles coaxiaux 78 pour l'élément rayonnant 70 à double polarisation tribande.
Le support 71 commun unique est conformé au moyen de trois formes cylindriques de diamètres différents de manière à ce que les parties du support 71 relatives à chaque groupe 73, 74, 75 forment des cylindres concentriques dont le diamètre dépend de la longueur d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement dans chacune des bandes de fréquences. La longueur du support 71 est calculée de façon à ce que les trois cylindres concentriques soient reliés entre eux par des parties de support 79 exempt de dipôle. Le groupe 73 de dipôles 73a...73d disposé à l'extérieur sur le cylindre de plus grand diamètre fonctionne à la plus basse fréquence, et le groupe 75 de dipôles 75a...75d disposé à l'intérieur sur le cylindre de plus petit diamètre fonctionne à la fréquence la plus élevée. On obtient donc trois groupes 73, 74, 75 de deux paires de dipôles demi-onde, chacun à la fréquence centrale de leur bande de fréquences d'exploitation respectives, par exemple GSM 900 MHz (74), DCS 1800 MHz (74) et LTE 2600MHz (75). L'axe 80 transversal passant par le milieu des dipôles de chaque groupe est situé à une distance L d'environ un quart de la longueur d'onde (214) à la fréquence centrale de fonctionnement au-dessus de la surface du réflecteur 72. Les axes 81 médians passant par le milieu de deux dipôles consécutifs sont distants de l'ordre d'une demi-longueur d'onde (212) d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement. Les dipôles 73a...73d, 74a...74d, 75a...75d sont positionnés de manière à créer deux signaux de polarisation orthogonaux dans chacune des trois bandes de fréquences d'exploitation. Si nécessaire, des dispositifs de séparation des bandes de fréquences peuvent être imprimé sur la face 77 intérieure du support 71 commun portant les lignes microrubans 73e...73h, 74e...74h, 75e...75h. Ces dispositifs permettraient de n'utiliser que deux câbles coaxiaux au total, soit un câble par polarisation, pour l'alimentation de l'élément rayonnant à double polarisation tribande. 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, le principe décrit ci-dessus pour trois bandes de fréquence peut être étendu à la conception d'un élément rayonnant à double polarisation multibande opérant sur plus de trois bandes de fréquences.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Elément rayonnant (1) à double polarisation pour une antenne multibande, comportant - un support (4) à constante diélectrique élevée disposé sur un réflecteur (5), - au moins une première et une deuxième paires de dipôles (2) imprimés sur une première face (6) du support (4), - des lignes conductrices (3), pour alimenter chaque dipôle, imprimées sur une seconde face (7) du support (4), caractérisé en ce que le support a une forme sensiblement cylindrique et en ce 10 que les dipôles de la première paire sont sensiblement orthogonaux aux dipôles de la seconde paire.
  2. 2. Elément rayonnant selon la revendication 1, dans lequel la première face (6) portant les dipôles (2) est la face extérieure du support (4).
  3. 3. Elément rayonnant selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel l'axe 15 transversal passant par le milieu des dipôles (2) est à une distance du réflecteur (5) qui est de l'ordre d'un quart de la longueur d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement.
  4. 4. Elément rayonnant selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les axes médians passant par les milieux de deux dipôles (2) consécutifs sont distants 20 de l'ordre d'une demi-longueur d'onde.
  5. 5. Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la paire de dipôles (2) est alimentée par un seul câble coaxial (8).
  6. 6. Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes, comportant au moins deux groupes de dipôles, chaque groupe de dipôles comprenant au 25 moins une première et une deuxième paires de dipôles portés par le support, et chaque groupe de dipôles opérant dans une bande de fréquences différente.
  7. 7. Elément rayonnant selon la revendication 6, dans lequel le support (71) forme des cylindres concentriques reliés entre eux, chaque cylindre portant un groupede dipôles (73, 74, 75) et chaque groupe de dipôles (73, 74, 75) opérant dans une bande de fréquence différente.
  8. 8. Antenne multibande comprenant un premier élément rayonnant selon l'une des revendications précédentes, et comprenant en outre au moins un deuxième élément rayonnant (53, 63) disposé sur le réflecteur au centre du cylindre formé par le support du premier élément rayonnant.
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