La présente invention se rapporte à une antenne large bande comportant des éléments rayonnants utilisables notamment dans les stations de base des réseaux de radiocommunication cellulaires. Elle s'étend en outre au procédé de fabrication de ces éléments.

Un élément rayonnant à double polarisation peut être formé de deux dipôles rayonnants, chaque dipôle étant constitué par deux brins de conducteurs colinéaires. La longueur de chaque brin est sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de travail. Les dipôles sont montés sur une structure permettant leur alimentation et leur positionnement au-dessus d'un réflecteur (plan-masse). Ceci permet, par réflexion du rayonnement arrière des dipôles, d'affiner la directivité du diagramme de rayonnement de l'ensemble ainsi formé. Selon leur orientation dans l'espace, les dipôles peuvent rayonner ou recevoir des ondes électromagnétiques suivant deux voies de polarisation, par exemple une voie de polarisation horizontale et une voie de polarisation verticale, ou encore deux voies de polarisation orientées à +/- 45° par rapport à la verticale.

Pour réaliser une antenne bi-bande fonctionnant dans deux bandes de fréquence distinctes et à polarisations orthogonales, deux configurations sont communément employées.

La première méthode dite colinéaire (ou concentrique) consiste en un alignement d'éléments rayonnants dans laquelle on dispose concentriquement des éléments rayonnants formés par quatre dipôles disposés en quadrature, opérant sur une première bande de fréquence, autour des éléments rayonnants formés par deux dipôles croisés opérant sur une deuxième bande de fréquence. L'alignement étant placé au-dessus du réflecteur dans un châssis unique.

La deuxième méthode dite « side by side » consiste en un premier alignement d'éléments rayonnants formés par deux dipôles orthogonaux croisés opérant sur une première bande de fréquence et un deuxième alignement d'éléments rayonnants formés par deux dipôles orthogonaux croisés opérant sur une deuxième bande de fréquence. Les deux rangées sont parallèles et placées à une distance au moins égale à une demi-longueur d'onde pour la bande de fréquence la plus élevée.

Pour améliorer les performances d'une telle antenne bi-bande ou multi-bande, il est nécessaire d'augmenter la largeur de la bande de fréquence de chaque série d'éléments rayonnants, et simultanément de diminuer le couplage entre les rangées d'éléments rayonnants. Le découplage inter-bande dépend de la distance séparant les éléments rayonnants et de l'orientation relative des éléments rayonnants les uns par rapport aux autres. Pour améliorer le découplage entre deux rangées d'éléments placés dans le même châssis, on a par exemple proposé

• l'utilisation d'éléments bi-bande concentriques,
• l'augmentation de la distance inter-éléments séparant deux alignements verticaux d'éléments rayonnants en configuration dite « side by side ».

Il a aussi été proposé des éléments rayonnants d'antenne multi-bande comprenant un support diélectrique à forte constante diélectrique dans le but de réduire les dimensions de l'élément rayonnant, sur lequel a été déposée une couche de matériau conducteur présentant un motif fractal.

Par ailleurs, pour augmenter la largeur de la bande de fréquence des antennes large bande, on a proposé des solutions telles que la superposition des éléments rayonnants ou l'addition d'éléments parasites judicieusement positionnés. On peut aussi améliorer le système d'alimentation des éléments ou modifier la forme géométrique des éléments rayonnants eux-mêmes (spirale, Log périodique, "Bow Tie", noeud papillon, etc...).

Par exemple les documents US-6,028,563 et WO 03/103086 décrivent un élément rayonnant à double polarisation formé de deux dipôles croisés dit "noeud papillon" (ou "cross bow tie" en anglais) dressés sur un pied reposant sur un réflecteur. Chaque dipôle comporte des bras rayonnants à polarisation soit négative, soit positive de forme générale triangulaire. Les éléments rayonnants peuvent être alignés pour former une antenne.

La présente invention a pour but de proposer un élément rayonnant non concentrique ayant une taille réduite, les performances de l'antenne étant améliorées par un meilleur découplage des éléments rayonnants.

L'invention a aussi pour but de proposer un élément rayonnant non concentrique fonctionnant sur une large bande de fréquence, les performances de l'antenne étant améliorées par un élargissement de la bande de fréquence.

L'invention a encore pour but de proposer une antenne large bande comprenant un tel élément.

L'objet de la présente invention est un élément rayonnant d'antenne large bande selon la revendication 1. L'idée principale de l'invention est d'utiliser la propriété d'autosimilarité des motifs fractals dans la conception de la géométrie des dipôles d'un élément rayonnant afin de réduire la taille de l'antenne, la complexité du motif fractal étant invariante par changement d'échelle. Le concept général de la théorie fractale peut être appliqué aux éléments rayonnants d'antenne, notamment à toute forme de dipôle (triangle, carré,...) en utilisant le principe de l'autosimilarité dans la conception de leur structure. Des algorithmes itératifs génèrent des objets fractals sous forme d'images numériques qui peuvent être matérialisé sous forme d'objets physiques. Dans le cas présent on reproduit sur au moins une face d'un demi-dipôle un motif itératif prédéterminé ("loop generator") en appliquant le principe d'autosimilarité par usinage, moulage, etc...

Une voie d'amélioration de la bande passante du dipôle est d'utiliser une structure fractale en trois dimensions. Une autre voie d'amélioration de la bande passante d'un élément rayonnant est d'empiler verticalement des dipôles et éventuellement des patchs de tailles similaires ou différentes. La combinaison de ces deux voies dans l'élément rayonnant conduit donc à un élément rayonnant de faible encombrement et fonctionnant sur une large bande de fréquence.

Les bras des dipôles sont de préférence en aluminium, en laiton, en "zamac" (alliage à base de zinc) ou en polymère métallisé. Les bras des dipôles sont de préférence moulés.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les premiers, deuxième et troisième composants disposés dans les premier et deuxième plans superposés sont interconnectés.

Selon un deuxième mode de réalisation, les premier et deuxième composants disposés dans le premier plan ne sont pas interconnectés avec le troisième composant disposé dans le deuxième plan qui lui est superposé.

Selon une variante, l'élément rayonnant comporte en outre au moins un composant supplémentaire choisi parmi un dipôle ou un patch disposé dans un troisième plan superposé aux premier et deuxième plans. Selon une forme d'exécution, le composant supplémentaire n'est pas interconnecté avec les dipôles des premier et deuxième plans.

Selon une autre variante, les dipôles disposés dans des plans superposés ont une surface décroissante en s'éloignant du réflecteur.

Les deux principales techniques de base utilisées pour la conception des éléments rayonnants fractals sont les suivants:

1. (a) le principe d'autosimilarité géométrique permet un fonctionnement identique dans plusieurs bandes de fréquences, car les différentes parties du dipôle sont semblables les unes aux autres à différentes échelles ;
2. (b) l'augmentation de la complexité des dipôles, qui se traduit par l'usage d'un motif itératif pour refaçonner le profil du dipôle, peut être utilisé pour réduire la taille de l'élément rayonnant.

La combinaison du profil refaçonné et de l'autosimilarité conduit à une antenne avec une performance très large bande. Il est entendu que seulement l'une ou l'autre des deux techniques peut être utilisée ou les deux simultanément. Les techniques de conception des éléments rayonnants fractals sont appliquées aux dipôles superposés qu'ils soient interconnectés ou non.

L'invention a aussi comme objet une antenne large bande comprenant des éléments rayonnants alignés sur un réflecteur, chacun comportant un pied supportant un premier et un deuxième composants disposés dans un premier plan qui sont deux dipôles demi-onde, à alimentation symétrique générant une double polarisation linéaire comprenant chacun deux bras, dans laquelle chaque élément rayonnant comporte en outre au moins un troisième composant choisi parmi un dipôle ou un patch disposé dans un deuxième plan placé au-dessus du premier plan, et dans lequel chacun des composants est constitué d'un motif fractal volumique.

Selon une forme d'exécution de l'invention, les dipôles disposés dans le premier plan sont positionnés à une distance d'un quart d'onde par rapport au plan du réflecteur, servant de plan de masse.

L'invention a encore comme objet un procédé de fabrication d'un élément rayonnant selon l'une des revendications 1 à 7, le procédé comprenant une étape de moulage ou une étape d'usinage de chacun des composants pour réaliser un motif fractal volumique.

La présente invention a comme avantage de permettre une réduction du coût de fabrication des éléments rayonnants tout en améliorant leurs performances RF et en réduisant leur taille.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel

• la figure 1 montre une vue de dessus schématique du premier plan d'un élément rayonnant à double polarisation croisée portant des dipôles construits à partir du motif "Cantor Slot Bow Tie"
• la figure 2 montre une vue de dessus schématique du premier plan d'un élément rayonnant à double polarisation croisée portant des dipôles construits à partir du motif de Koch,
• la figure 3 montre une vue de dessus schématique du premier plan d'un élément rayonnant à double polarisation croisée portant des dipôles construits à partir du motif de Minkowski,
• la figure 4 montre en perspective un élément rayonnant selon un mode de réalisation de l'invention, à double polarisation croisée portant deux plans superposés comprenant des dipôles interconnectés construits à partir du motif du tapis de Sierpinski,
• la figure 5 montre en perspective un élément rayonnant, selon un mode de réalisation de l'invention, à double polarisation croisée portant trois plans superposés comprenant des dipôles interconnectés construits à partir du motif du tapis de Sierpinski,
• la figure 6 montre en perspective un élément rayonnant, selon un mode de réalisation de l'invention, à double polarisation croisée portant trois plans superposés comprenant des dipôles construits à partir du motif du tapis de Sierpinski dont un directeur,
• la figure 7 montre en perspective un élément rayonnant, selon un mode de réalisation de l'invention, à double polarisation croisée portant trois plans superposés comprenant des dipôles interconnectés de taille décroissante construits à partir du motif du tapis de Sierpinski,
• la figure 8 montre en perspective un élément rayonnant, selon un mode de réalisation de l'invention, à double polarisation croisée portant trois plans superposés comprenant des dipôles non-interconnectés construits à partir du motif du tapis de Sierpinski,

Sur la figure 1 est représenté un exemple schématique du premier plan d'un élément rayonnant 20 du type "noeud papillon" (ou "Bow Tie"). L'élément rayonnant 20 comprend de deux dipôles 21 et 22 dont les bras 21 a, 21 b et 22a, 22b respectifs sont de forme triangulaire. Le principe de l'autosimilarité lui a été appliqué, et conduit à la double croix polarisée d'un élément rayonnant de type "Cantor Slot Bow Tie". Les deux dipôles 21 et 22 sont munis chacun d'une alimentation 23 et 24.

Une technique utilisée est caractérisée par l'emploi d'un motif itératif ("loop generator") pour réduire la taille du dipôle, tout en améliorant les performances RF de ce dipôle, en particulier en termes de largeur de bande. Les deux motifs itératifs bien connus et utilisés sont le motif de Koch et le motif de Minkowski. Les deux dipôles résultants sont représentés respectivement sur les figures 2 et 3.

Le premier plan de l'élément rayonnant 30 représenté sur la figure 2 comporte deux dipôles 31 et 32. Les deux dipôles 31 et 32 sont munis chacun d'une alimentation 33 et 34. Chaque dipôle 31, 32 comporte respectivement un premier bras 31 a, 32a et un second bras 31 b, 32b dont la forme est obtenue par itération du motif de Koch.

Le premier plan de l'élément rayonnant 40 représenté sur la figure 3 comporte deux dipôles 41 et 42. Les deux dipôles 41 et 42 sont munis chacun d'une alimentation 43 et 44. Chaque dipôle 41, 42 comporte respectivement un premier bras 41 a, 42a et un second bras 41 b, 42b dont la forme est obtenue par itération du motif de Minkowski.

Une façon d'améliorer la bande passante du dipôle est d'utiliser une structure fractale en trois dimensions. Une autre façon d'améliorer la bande passante d'un élément rayonnant est d'empiler verticalement des dipôles de tailles similaires ou différentes.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention, ces dipôles peuvent être électriquement interconnectés comme sur les figures 4 et 5.

Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 4, un élément rayonnant 50 comporte des dipôles placés dans deux plans superposés 51 et 52 supportés par un pied 53 Le premier plan 51 comprend deux dipôles 54, 55 d'une demi-longueur d'onde associés orthogonalement pour obtenir un arrangement en double polarisation croisée. Chaque dipôle 54, 55 comporte respectivement un premier bras 54a, 55a et un second bras 54b, 55b dans le prolongement l'un de l'autre Chaque dipôle 54, 55 est pourvu respectivement d'une alimentation équilibrée pour générer une polarisation linéaire. Dans le cas représenté ici, le principe de l'autosimilarité a été appliqué à un élément rayonnant carré, ce qui conduit à des dipôles croisés à double polarisation ayant le motif du tapis de Sierpinski volumique (en trois dimensions). Le premier plan 51 est surmonté d'un deuxième plan 52 comprenant deux dipôles 56 et 57 d'une demi-longueur d'onde associés orthogonalement pour obtenir un arrangement en double polarisation croisée. Chaque bras 56a, 56b, 57a, 57b des dipôles 56 et 57 présente aussi un motif en 3D du tapis de Sierpinski.

Sur la figure 5, on a représenté un élément rayonnant comprenant des dipôles interconnectés disposés dans trois plans superposés 60, 61 et 62, portés par un pied 63 commun. Le plan 60 comprend deux dipôles 64, 65, chacun d'une demi-longueur d'onde, associés orthogonalement pour obtenir un arrangement en double polarisation croisée. Les plans 61 et 62 qui le surmontent comprennent respectivement deux dipôles 66, 67 et 68, 69 de manière analogue. Chaque bras 64a, 64b, 65a, 65b des dipôles 64 et 65 présente un motif en 3D du tapis de Sierpinski. De même chaque bras 66a, 66b, 67a, 67b des dipôles 66 et 67 présente un motif en volume du tapis de Sierpinski. De même encore chaque bras 68a, 68b, 69a, 69b des dipôles 68 et 69 présente un motif en volume du tapis de Sierpinski.

Selon un autre mode de réalisation, les dipôles disposés dans des plans différents superposés peuvent aussi ne pas être tous interconnectés comme sur la figure 6. Dans ce cas le dipôle qui n'est pas interconnecté est appelé "directeur".

On a représenté sur la figure 6 des dipôles interconnectés disposés dans deux plans superposés 70 et 71 et portés par un même pied 72, chacun des plans comportant de deux dipôles 73, 74 et 75,76, chacun d'une demi-longueur d'onde, associés orthogonalement pour obtenir un arrangement en double polarisation croisée. Deux autre dipôles 78 et 79 non-interconnectés avec les dipôles disposés dans les plans 70 et 71 sont appelés "directeurs". Les deux dipôles 78 et 79 ont leurs bras disposés dans le plan 77 superposé aux plans 70 et 71. Chaque dipôle 73-76 et 78, 79 comporte deux bras présentant un motif en volume du tapis de Sierpinski.

Sur la figure 7, on a représenté trois plans superposés 80, 81 et 82 dont les dipôles sont interconnectés, de surface décroissante, portés par un pied 83 commun. La fréquence de résonance des dipôles de chaque plan est légèrement décalée, ce qui augmente la largeur de la bande de fréquence. Le plan 80 comprend deux dipôles 84, 85, chacun d'une demi-longueur d'onde, associés orthogonalement pour obtenir un arrangement en double polarisation croisée. Les plans 81 et 82 qui le surmontent comprennent respectivement deux dipôles 86, 87 et 88, 89 de manière analogue. Chaque bras des dipôles 84-89 présente un motif en volume du tapis de Sierpinski.

Sur la figure 8, on a représenté une variante de réalisation comprenant un élément rayonnant 90 comportant un plan 91 porté par un pied 92 et comportant deux dipôles 93 et 94 ayant chacun deux bras 93a, 93b et 94a, 94b respectivement, chaque bras présentant un motif en volume du tapis de Sierpinski. Le plan 91 est surmonté d'un patch disposé dans un second plan 95, lui-même surmonté d'un patch disposé dans un troisième plan 96. Les patchs disposés dans les plans 95 et 96 ne sont pas interconnectés avec les dipôles disposés dans le plan 91 et sont appelés "directeurs". Chacun des plans 95, 96 comprend un patch, ou directeur, carré dont la dimension, sensiblement égale à une demi-longueur d'onde, est décalée par rapport à la dimension des dipôles placés dans le plan 91 de manière à augmenter la largeur de bande de l'élément rayonnant. Les patchs ou directeurs placés dans les plans 95, 96 présentent un motif en 3D du tapis de Sierpinski. Cette dernière configuration présente l'avantage par rapport aux autres modes de réalisation d'être plus facile à mettre au point.

Une antenne selon un mode de réalisation de l'invention comporte un réflecteur portant des éléments rayonnants alignés analogues à ceux de la figure 4. Chaque élément rayonnant comporte un pied, deux dipôles orthogonaux placés dans un premier plan et deux dipôles orthogonaux placés dans un deuxième plan. Les bras respectifs des quatre dipôles reproduisent en volume le motif du tapis de Sierpinski. Des éléments rayonnants d'un type connu peuvent en outre être ajoutés sur le réflecteur, l'antenne selon l'invention fonctionnant alors comme une antenne multi-bande dont une très large bande.

Bien entendu, l'antenne peut comporter des éléments rayonnants de tous les modes de réalisation précédemment décrits et leurs variantes, et les éléments rayonnants selon l'invention peuvent être mis en oeuvre dans tout type d'antenne quelle que soit sa forme.