Antenne omnidirectionnelle configurable

Abstract

 Antenne configurable (10), destinée à émettre ou capter au moins un faisceau de rayonnement électromagnétique dans une direction et une largeur angulaire ajustables, ladite antenne comprenant une antenne omnidirectionnelle (11) autour d'un axe z donné.
Selon l'invention, ladite antenne configurable (10) comprend également, associés à ladite antenne omnidirectionnelle (11), des éléments réflecteurs discrets (20) de réflectivité commandable, disposés sur au moins un cercle centré autour de l'axe z donné.
Application à la téléphonie mobile.

Description

[0001] La présente invention concerne une antenne configurable, destinée à émettre ou capter au moins un faisceau de rayonnement électromagnétique dans une direction et une largeur angulaire ajustables.

[0002] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la téléphonie mobile (bandes GSM (Global System for Mobile Communication), DCS (Digital Cellular System), UMTS (Universal Mobile Communication System)), ainsi que dans celui de la diffusion de services haut-débit du type WLAN (Wireless Local Area Network), WIFI, LMDS (Local Multi-point Distribution System) et même UWB (Ultra Wide Band).

[0003] Le développement des systèmes de télécommunication répondant aux problèmes de la communication en situation de mobilité a amené les opérateurs et les industriels à développer et utiliser des stations de base de plus en plus complexes. A l'heure actuelle, suite aux contraintes liées au nombre de sites en exploitation, il est de plus en plus difficile d'installer indéfiniment de nouvelles antennes. Il devient donc nécessaire de faire appel à des antennes large bande susceptibles de remplacer plusieurs antennes mono-bande ou de mettre en oeuvre la même antenne pour couvrir plusieurs zones distinctes.

[0004] En matière de téléphonie mobile, la couverture par cellules peut être obtenue à partir d'antennes mono/multi-faisceaux dont les zones de rayonnement sont rendues ajustables en direction et en largeur angulaire grâce à l'utilisation d'éléments actifs qui commandent l'alimentation d'antennes réseaux planaires ou antennes réflecteurs à réseau focal pour des angles de visée de ± 30 à 40°, ou placées sur une surface cylindrique pour avoir la possibilité de pointer un ou plusieurs faisceaux sur 360°. La complexité du réseau d'alimentation est directement liée aux possibilités et à l'agilité de l'antenne. Cette complexité s'accroît encore plus rapidement avec la formation de faisceaux multiples indépendants. La gestion de l'ensemble des faisceaux doit se faire au travers d'éléments actifs radio-fréquence du type amplificateur, déphaseur, ligne à retard qui travaillent dans les bandes de fréquence de l'antenne. L'utilisation de tels éléments augmente de façon drastique le coût de l'antenne ou limite les possibilités de celle-ci si l'on veut obtenir un prix raisonnable (utilisation en bande étroite,...). De plus, les pertes liées à l'alimentation de ces antennes-réseaux imprimées actives ne sont pas négligeables et peuvent limiter les performances intrinsèques.

[0005] Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer une antenne configurable, destinée à émettre ou capter au moins un faisceau de rayonnement électromagnétique dans une direction et une largeur angulaire ajustables, qui permettrait d'éliminer les limitations des systèmes d'antennes connus mentionnées plus haut en évitant notamment l'emploi de composants radio-fréquence.

[0006] La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ladite antenne configurable comprend également, associés à ladite antenne omnidirectionnelle, des éléments réflecteurs discrets de réflectivité commandable, disposés sur au moins un cercle centré autour de l'axe z donné.

[0007] Avantageusement, la réflectivité desdits éléments réflecteurs discrets est commandée par une tension de courant continu.

[0008] Ainsi, l'antenne configurable conforme à l'invention utilise la modification du rayonnement électromagnétique d'une antenne omnidirectionnelle, large bande ou multi-bande, par un système de déflecteurs pilotés par simple tension continue, contrairement aux antennes actives classiques où l'on pilote le rayonnement par des composants radio-fréquence. En d'autres termes, l'association d'une antenne du type omnidirectionnel à un système d'éléments réflecteurs discrets transforme, selon l'invention, la couverture omnidirectionnelle de l'antenne en une couverture mono/multi-faisceaux de largeurs variables.

[0009] On comprend qu'en fonction de la couverture souhaitée, l'antenne de l'invention peut être configurée pour obtenir un faisceau de rayonnement dans une cellule de taille plus ou moins grande ou pour illuminer plusieurs cellules dans des secteurs angulaires différents. La couverture peut donc être modifiée sans qu'il soit nécessaire de changer l'antenne ou son positionnement.

[0010] Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits éléments réflecteurs discrets sont des éléments linéaires constitués, chacun, par des barreaux métalliques discontinus reliés entre eux par des composants de conductivité électrique commandable par une tension continue. Ces éléments ont été développés par l'Institut d'Electronique Fondamentale de l'Université de Paris Sud-Orsay (« Numerical and Experimental Demonstration of an Electronically Controllable PBG in the Frequency Range 0 to 20 Ghz » A. de Lustrac, T. Brillat, F.Gadot and E. Akmansoy, Actes du Congrès Antennas and Propagation 2000, 9-14 april 2000, Davos, Switzerland) dans le but de réaliser un méta-matériau à bandes interdites électromagnétiques basé sur le principe des bandes interdites photoniques, la répartition spatiale des éléments selon un réseau bi-périodique créant l'équivalent d'un « cristal ». L'effet de ce pseudo-cristal sur la propagation des ondes électromagnétiques est modifié par la présence de défauts placés à l'intérieur, ce qui permet d'obtenir pour certaines bandes de fréquence une transmission au travers de ce pseudo-cristal qui, s'il avait été parfait, aurait réfléchi l'ensemble des fréquences.

[0011] Pour l'application à l'invention, les fréquences de travail se trouvent en-dessous des bandes interdites et le méta-matériau est utilisé comme simple réflecteur métallique commandé.

[0012] De manière pratique, l'invention prévoit que lesdits composants de conductivité électrique commandable sont des diodes ou des interrupteurs micro-mécaniques connus sous l'acronyme anglo-saxon MEMS pour « MicroElectroMechanical System », ces deux types de composants étant commandables par une tension continue.

[0013] Conformément à l'invention, ladite antenne omnidirectionnelle est constituée par une antenne biconique.

[0014] Les antennes biconiques sont des antennes omnidirectionnelles dont les propriétés et les caractéristiques ont été décrites au chapitre 8 « The Biconical Antenna and its Impedance » de l'ouvrage de J.D. Kraus « Antennas », McGraw-Hill, Electrical and Electronical Engineering Series, 1950.

[0015] Comme on le verra en détail plus loin, il est possible d'accroître la directivité de l'antenne, objet de l'invention, du fait que ladite antenne omnidirectionnelle est constituée par une pluralité d'antennes biconiques mises en réseau.

[0016] De manière à pouvoir conformer le faisceau de rayonnement en élévation, c'est-à-dire dans le plan passant par l'axe z, notamment pour obtenir un faisceau centré sur une autre direction que 90° par rapport à l'axe z, il est prévu par l'invention que ladite antenne biconique présente des cônes dissymétriques ou que lesdites antennes biconiques sont mises en réseau avec un déphasage variable.

[0017] Enfin, dans des applications plus spécifiquement dédiées à la téléphonie mobile, il y a avantage à ce que, selon, l'invention, les éléments réflecteurs discrets présentent une réflectivité variable en fonction de la fréquence du rayonnement électromagnétique. Ceci permet par inclusion de défauts dans le méta-matériau constitué par lesdits éléments discrets d'obtenir des faisceaux de rayonnement de couverture différente selon la bande de fréquence : GSM, UMTS,.... De même, l'invention envisage également que l'antenne de l'invention comporte des deuxièmes éléments réflecteurs discrets disposés orthogonalement auxdits éléments réflecteurs discrets. Cette double structure commandable séparément en polarisation horizontale et verticale offre la possibilité de réaliser des polarisations à ± 45°.

[0018] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.

[0019] La figure 1 est une vue en perspective d'une antenne configurable conforme à l'invention.

[0020] La figure 2 est une vue en coupe selon l'axe z de l'antenne de la figure 1.

[0021] La figure 3a représente un élément réflecteur polarisé.

[0022] La figure 3b représente l'élément réflecteur de la figure 3a non polarisé.

[0023] La figure 4a est une vue de dessus d'une répartition d'éléments réflecteurs non polarisés.

[0024] La figure 4b représente la répartition de la figure 4a dans une configuration de polarisation mono-faisceau des éléments réflecteurs.

[0025] La figure 4c représente la répartition de la figure 4a dans une configuration de polarisation multi-faisceaux des éléments réflecteurs.

[0026] La figure 5 est une vue en coupe selon l'axe z de deux antennes selon l'invention montées en réseau.

[0027] Sur les figures 1 et 2 est représentée une antenne configurable 10 comprenant une antenne omnidirectionnelle 11 large bande ou multi-bande qui, dans l'exemple illustré sur ces figures, est du type biconique. Conformément au principe général des antennes biconiques exposé dans l'ouvrage précédemment cité de J.D. Kraus, l'antenne omnidirectionnelle 11 est constituée de deux surfaces 111 et 112 sensiblement coniques disposées tête-bêche autour d'un axe z commun qui est aussi celui de l'antenne 10. L'antenne 11 est apte à émettre ou capter un faisceau de rayonnement électromagnétique de manière omnidirectionnelle, c'est à dire isotrope autour de l'axe z, lequel constitue un axe de révolution pour l'antenne 11. Dans le cas où les deux cônes 111 et 112 sont symétriques, comme représenté sur les figures 1 et 2, le maximum de directivité est obtenu pour une direction D de rayonnement faisant un angle θ de 90°avec l'axe z, c'est-à-dire dans le plan xy.

[0028] De manière à configurer l'antenne 10 en une antenne mono/multi-faisceaux à direction et largeur angulaire de faisceau(x) ajustables, l'antenne omnidirectionnelle 11 est associée à un système d'éléments réflecteurs discrets 20 de réflectivité commandable, disposés selon au moins un cercle centré autour de l'axe z. Comme l'indiquent la figure 1 et plus précisément les figures 4a à 4c, lesdits éléments réflecteurs 20 sont répartis selon quatre cercles concentriques 31, 32, 33, 34.

[0029] Dans l'exemple de réalisation proposé sur les figures 3a et 3b, les éléments réflecteurs 20 sont des éléments linéaires constitués, chacun, par des barreaux métalliques discontinus 21 reliés entre eux par des composants 22 de conductivité électrique commandable. Comme on peut le voir sur les figures 3a et 3b, lesdits composants 22 sont des diodes commandées par une tension de courant continu. Le système formé par un ensemble régulier d'éléments linéaires discrets 20 de ce type réalise un méta-matériau, dit à bandes interdites électromagnétiques, dont les propriétés ont été rappelées plus haut en référence à la publication de A. de Lustrac et al.

[0030] Les figures 3a et 3b illustrent la manière dont les éléments linéaires 20 fonctionnent lorsqu'ils sont appliqués à l'antenne configurable 10.

[0031] Sur la figure 3a, les diodes 22 sont polarisées par une tension continue et, du fait de leur très faible résistance électrique, réalisent l'équivalent d'une seule barre de longueur plus importante que chaque barreau individuel 21. Cette barre, référencée alors 20', est un réflecteur du point de vue électromagnétique. On comprend que la distribution spatiale des éléments linéaires 20' de barreaux 21 court-circuités forme un réflecteur qui permet de répartir à volonté le rayonnement dans l'espace.

[0032] Sur la figure 3b, les diodes ne sont pas polarisées et présentent donc une impédance très élevée. Il n'y a pas de connexion électrique entre les barreaux et la barre 20" équivalente est transparente pour les ondes électromagnétiques. De manière pratique, il y a avantage à ce que la longueur d'un barreau élémentaire 21 reste inférieure au cinquième de la plus petite longueur d'onde afin de limiter la perturbation de ces barreaux 21.

[0033] L'avantage de l'utilisation de ce système à éléments réflecteurs commandés est principalement dû au fait que l'on polarise les diodes avec une tension continue. Il n'y a donc aucun composant RF complexe type amplificateur ou déphaseur. Seule la diode 22 doit être choisie de façon à avoir la plus faible résistance interne aux fréquences envisagées lorsqu'elle est polarisée, ceci afin d'obtenir un meilleur court-circuit.

[0034] Bien entendu, d'autres composants 22 de conductivité électrique commandable par une tension continue peuvent être envisagés tels que les commutateurs micromécaniques MEMS mentionnés plus haut.

[0035] Pour l'application à l'invention, le système réflecteur configurable associé à l'antenne omnidirectionnelle 11 est constitué d'une pluralité de cercles concentriques d'axe z sur lesquels sont répartis régulièrement les éléments réflecteurs 20 selon un pas linéaire δ constant.

[0036] Comme l'indique la figure 4a, la répartition angulaire des éléments 20 est variable en fonction du rayon du cercle considéré afin d'obtenir un pas linéaire δ constant pour tous les cercles 31, 32, 33, 34.

[0037] Le nombre de cercles concentriques d'éléments réflecteurs 20 est fixé afin d'avoir une atténuation suffisante dans la zone en court-circuit puisque la barre métallique 20' est un élément localisé et que la superposition de couches concentriques permet de simuler au mieux un cylindre métallique réflecteur. De même, l'espacement radial entre chaque cercle concentrique doit être assez faible pour que la répétition des cercles génère une portion réflectrice cylindrique

[0038] Il faut ainsi faire un compromis entre le nombre de cercles, l'espacement entre cercles et l'encombrement total de l'antenne 10 afin d'obtenir une dimension maximale compatible avec l'application souhaitée.

[0039] Selon que les éléments linéaires 20 sont polarisés ou non, on peut réaliser la répartition de faisceau de rayonnement électromagnétique voulue, par exemple une répartition omnidirectionnelle (figure 4a), une répartition mono-faisceau (figure 4b) de largeur variable ou une répartition multi-faisceaux (figure 4c) avec une largeur variable pour chaque faisceau.

[0040] Signalons qu'il est possible d'adapter au mieux l'antenne 10 à l'espace libre en jouant sur la configuration de polarisation des éléments linéaires du premier cercle concentrique 31. Par exemple, pour obtenir un angle d'ouverture effective de 60°, il sera nécessaire de laisser les éléments 20" du premier cercle 31 en circuit ouvert sur un angle plus grand.

[0041] On peut voir sur la figure 2 que chaque élément linéaire 20 traverse les cônes métalliques supérieur 111 et inférieur 112 sans contact électrique, en passant à travers des passages isolants 40. Il est alors très facile grâce à l'alimentation coaxiale de l'antenne biconique 11 d'amener une tension continue sur le cône supérieur 111 afin de pouvoir polariser indépendamment chaque élément linéaire 20 par un boîtier 50 de commande placé soit sur le cône supérieur 111, les éléments 20 étant mises à la masse sur le cône inférieur 112 (figure 2), soit sous le cône inférieur 112, les éléments 20 étant reliés directement au cône supérieur 111 pour la connexion à la tension positive.

[0042] C'est la nécessité de réaliser la liaison mécanique entre les éléments linéaires 20 et les cônes de l'antenne biconique 11, ainsi que les passages isolants 40, qui explique que les surfaces 111 et 112 ne soient pas rigoureusement coniques mais affectent une forme pseudo-conique adaptée à cette exigence.

[0043] La mise en réseau verticale d'antennes 10 conformes à l'invention illustrées sur les figures précédentes offre un grand intérêt pour accroître la directivité verticale de la structure rayonnante. Sur la figure 5 est représentée une antenne configurable 10' constituée par une antenne omnidirectionnelle 11' comprenant deux antennes biconiques 11 a et 11 b. La configuration des éléments réflecteurs linéaires 20 en court-circuit ou en circuit ouvert est la même pour l'ensemble des deux antennes biconiques 11a et 11b, afin de générer la(les) couverture(s) en azimut. L'alimentation des deux demi-antennes est du type série, et l'espacement entre les deux antennes biconiques 11a et 11b sert à remettre en phase leur alimentation respective pour obtenir un rayonnement optimal suivant θ=90°, comme expliqué plus haut, pour l'application spécifique à la téléphonie mobile par exemple, et à adapter au fur et à mesure la mise en série des antennes 11a et 11b.

[0044] L'intégration des éléments linéaires 20 commandés se fait de la même façon que pour une antenne biconique simple. La tension de polarisation des diodes est appliquée à l'âme centrale du câble coaxial 200 et est récupérée sur le dernier cône 111 b du réseau. Les éléments 20 traversent les cônes sans contact électrique et sont reliés à la masse sur le cône inférieur 112a.

[0045] Si l'on veut réaliser un faisceau de rayonnement dans une autre direction que celle définie par θ=90°, on peut appliquer un déphasage variable entre les différentes antennes biconiques mises en réseau dans une antenne configurable multiple. Le même résultat peut être obtenu avec une antenne configurable multiple mettant en réseau des antennes biconiques dissymétriques.

[0046] Il faut également signaler qu'avec des éléments réflecteurs 20 à réflectivité variable avec la fréquence il est possible de générer des faisceaux dans certaines directions de l'espace pour une bande de fréquence donnée et dans d'autres directions pour d'autres bandes fréquentielles.

[0047] Enfin, on peut noter la possibilité d'obtenir une double polarisation verticale et horizontale en intégrant au système de d'éléments réflecteurs 20 verticaux une autre structure d'éléments réflecteurs orthogonaux pour piloter le rayonnement horizontal et pouvoir ainsi réaliser un rayonnement à ± 45°.

Revendications

1. Antenne configurable, destinée à émettre ou capter au moins un faisceau de rayonnement électromagnétique dans une direction et une largeur angulaire ajustables, ladite antenne (10;10';10") comprenant une antenne omnidirectionnelle (11;11';11") autour d'un axe z donné, caractérisée en ce que ladite antenne configurable (10;10';10") comprend également, associés à ladite antenne omnidirectionnelle (11;11';11"), des éléments réflecteurs discrets (20) de réflectivité commandable, disposés selon au moins un cercle (31,32,33,34) centré autour de l'axe z donné.

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la réflectivité desdits éléments réflecteurs discrets (20) est commandée par une tension continue.

3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits éléments réflecteurs discrets sont des éléments linéaires (20) constitués, chacun, par des barreaux métalliques discontinus (21) reliés entre eux par des composants (22) de conductivité électrique commandable par une tension continue.

4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits composants de conductivité électrique commandable sont des diodes (22).

5. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits composants de conductivité électrique commandable sont des interrupteurs micromécaniques.

6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdits éléments réflecteurs discrets (20) sont répartis à pas linéaire (δ) constant sur une pluralité de cercles concentriques (31,32,33,34) d'axe z.

7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit pas linéaire constant (δ) est identique pour tous lesdits cercles concentriques (31,32,33,34).

8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la longueur des éléments réflecteurs (20) est inférieure au cinquième de la plus petite longueur d'onde du rayonnement électromagnétique.

9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ladite antenne omnidirectionnelle est constituée par une antenne biconique (11).

10. Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite antenne biconique présente des cônes dissymétriques.

11. Antenne selon l'une quelconque des revendication 1 à 8, caractérisée en ce que ladite antenne omnidirectionnelle (11';11") est constituée par une pluralité d'antennes biconiques (11a,11b,11c) mises en réseau.

12. Antenne selon la revendication 11, caractérisée en ce que lesdites antennes biconiques (11a,11b,11c) sont mises en réseau avec un déphasage variable.

13. Antenne selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisée en ce que lesdits éléments réflecteurs (20) traversent les cônes (111,112) de l'antenne omnidirectionnelle (11) sans contact électrique.

14. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que les éléments réflecteurs discrets présentent une réflectivité variable en fonction de la fréquence du rayonnement électromagnétique.

15. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'elle comporte des deuxièmes éléments réflecteurs discrets disposés orthogonalement auxdits éléments réflecteurs discrets (20).

Dessins