L'invention concerne le domaine des antennes multifaisceaux monofréquence ou multifréquences destinées à émettre/recevoir un signal radiofréquence selon une pluralité de directions.

L'obtention d'un ou plusieurs faisceaux d'antenne directifs se fait au détriment de l'encombrement de l'antenne.

En effet, plus l'antenne doit être directive (c'est-à-dire que l'on souhaite avoir une antenne pouvant rayonner selon une direction privilégiée ou plusieurs directions et doit posséder plusieurs faisceaux indépendants) plus sa surface rayonnante doit être importante.

La figure 1 illustre une antenne multi-faisceaux de type connu.

Cette antenne, constituée par trois panneaux P₁, P₂, P₃, peut fonctionner selon trois faisceaux directifs.

Cette antenne - voir figure 2 - comprend un plan P de masse et un substrat 11 diélectrique, ayant une constante ε₁ diélectrique. Le substrat 11 est disposé sur le plan P de masse.

L'antenne comprend en outre une pluralité d'ensemble E_i d'éléments d'antennes, ces éléments d'antennes S_ij sont disposés sur le substrat 11 (i correspond au numéro de l'ensemble et j au numéro de l'élément d'antenne dans l'ensemble i).

Les éléments d'antennes S_ij sont adaptés à émettre/recevoir un signal radiofréquence selon une direction donnée de sorte que chaque ensemble E_i est associé à une direction de l'antenne. On considère que l'antenne émet/reçoit le signal dans une ou plusieurs bandes de fréquence selon des directions différentes, définies par chaque panneau.

La figure 2 illustre de manière schématique un ensemble E_i d'éléments d'antennes S_ij.

Les éléments S_ij sont alimentés selon une loi de distribution (a_ij, Φ_ij), a_ij étant l'amplitude du signal émis ou reçu et Φ_ij sa phase. Cette loi est appliquée à chaque groupe d'ensembles i (formé des éléments d'antennes j) du même panneau dans le but de former un diagramme de rayonnement cohérent et privilégiant une direction déterminée A₁, A₂, A₃, normalement un azimut donné dans le plan horizontal. Dans sa forme la plus simple, les éléments E_i sont alimentés en série ou en arborescence.

Les figures 3a et 3b illustrent respectivement une vue de dessus et une vue de profil du plan P de masse avec le substrat 11 et un élément d'antenne S_i1 utilisé dans les antennes de type connu.

Dans les antennes multifaisceaux de ce type (voir figure 1), les ensembles correspondant à une même direction sont disposés en plusieurs colonnes, typiquement jusqu'à quatre colonnes. Les colonnes sont par ailleurs disposées côte à côte.

Un problème est qu'un tel arrangement est encombrant notamment dans l'optique d'avoir des antennes de plus en plus directives, c'est-à-dire pouvant rayonner selon plusieurs directions. En effet, il faudrait rajouter des colonnes.

L'invention permet d'avoir une antenne multifaisceaux d'encombrement réduit par rapport aux solutions d'antennes connues du même type.

Selon un premier aspect, l'invention concerne une antenne multifaisceaux destinée à émettre/recevoir un signal radiofréquence selon une pluralité de directions dans au moins une bande de fréquence, l'antenne comprenant : un plan de masse ; un substrat diélectrique, ayant une permittivité, le substrat étant disposé sur le plan de masse ; une pluralité d'ensemble d'éléments d'antennes disposés sur le substrat, chaque ensemble correspondant à une direction de l'antenne.

L'antenne selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un superstrat diélectrique, ayant une permittivité supérieure à la permittivité du substrat, disposé sur les ensembles d'éléments d'antennes, et en ce que les ensembles sont entrelacés les uns en dessous des autres de manière à former une colonne, les ensembles correspondant à une même direction de l'antenne étant séparés d'un nombre d'ensemble égal au nombre de directions de l'antenne moins un.

L'antenne selon l'invention pourra en outre présenter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

• ▪ les éléments d'antennes d'un même ensemble sont espacés d'une distance inférieure à une longueur d'onde λ, la longueur d'onde λ correspondant dans le cas monofréquence à la fréquence à laquelle l'antenne doit fonctionner et dans le cas multifréquence à la fréquence centrale définie par (f_max-f_min)/2 où f_max est la fréquence maximale à laquelle l'antenne doit fonctionner et f_min est la fréquence minimale à laquelle l'antenne doit fonctionner ;
• ▪ les éléments d'antennes appartenant à des ensembles différents sont espacés d'une distance inférieure à λ/n, où λ correspond à : dans le cas monofréquence, à la fréquence à laquelle l'antenne doit fonctionner ; dans le cas multifréquences, à la fréquence centrale définie par (f_max-f_min)/2 où f_max est la fréquence maximale à laquelle l'antenne doit fonctionner et f_min est la fréquence minimale à laquelle l'antenne doit fonctionner ; et où n est le nombre d'ensembles différents (E_i) ;
• ▪ pour chaque direction de l'antenne un nombre identique d'ensembles d'éléments d'antennes ;
• ▪ les ensembles correspondant à une même direction de l'antenne sont connectés en série ou en arborescence ;
• ▪ chaque ensemble comprend un nombre identique d'éléments d'antennes ;
• ▪ les éléments d'antennes sont des patchs carrés, en forme de triangle équilatéral ou en forme ellipsoïdale ;
• ▪ chaque côté de chaque élément d'antenne est de dimension égale à $\frac{{\lambda }_0}{4\sqrt{{\epsilon }_1+\delta {\epsilon }_2}}$ où ε₁ est la permittivité du substrat et ε₂ est la permittivité du superstrat, λ₀ est la longueur d'onde correspondant à la fréquence associée à l'élément d'antenne, la valeur δ est approximativement égale à : δ = h₁ / (h₁ + d) ;
• ▪ les éléments d'antennes sont des patchs à double polarisation orthogonale disposant de deux accès indépendants permettant de réaliser la diversité de polarisation.

L'antenne selon l'invention est monofréquence ou multifréquences et dans chaque bande de fréquence on peut disposer de plusieurs directions de faisceaux.

Selon un second aspect, l'invention concerne, un réseau de communication cellulaire comprenant une antenne le premier aspect de l'invention.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels outre les figures 1, 2, 3a et 3b déjà discutées :

• la figure 4 illustre une antenne multifaisceaux selon l'invention ;
• les figures 5a et 5b illustrent respectivement une vue de dessus et une vue de profil du plan de masse avec un substrat et un superstrat diélectriques et un élément d'antenne de l'antenne de l'invention ;
• les figures 6a et 6b illustrent respectivement un patch carré et un patch en forme de triangle équilatéral mis en oeuvre dans l'antenne de l'invention ;
• la figure 7 illustre une antenne à trois faisceaux monofréquence conforme à l'invention ;
• la figure 8 illustre un arrangement des éléments d'antennes dans un ensemble pour une antenne bifréquences conforme à l'invention ;
• la figure 9 illustre la variation du couplage entre deux ensembles d'éléments d'antennes en fonction de l'écart entre les éléments pour les éléments d'une antenne de type connu et pour des éléments plus petits, mis en oeuvre dans une antenne de l'invention, ayant des caractéristiques de rayonnement identique ;
• la figure 10 illustre les performances en termes de gain isotrope des éléments d'antennes d'une antenne de type connu et pour une antenne avec des éléments plus petits mis en oeuvre dans une antenne de l'invention, ayant des caractéristiques de rayonnement identique ;
• les figures 11a et 11b illustrent la réduction de taille d'un dipôle en un monopole utilisé dans l'antenne de l'invention ;
• la figure 12 illustre une vue de profil du plan de masse avec un substrat et un superstrat diélectriques et un élément d'antenne de l'antenne de l'invention pour expliciter les dimensions de l'élément d'antenne.

• La figure 4 illustre une antenne multifaisceaux présentant un encombrement réduit par rapport aux antennes multifaisceaux de type connu (voir antenne de la figure 1).
• Les figures 5a et 5b illustrent, respectivement, une vue de dessus et une vue de profil du plan P de masse avec le substrat 11, le superstrat 12 et un élément d'antenne S_i1.

Cette antenne comprend un plan P de masse, un substrat 11 diélectrique ayant une constante ε₁ diélectrique disposé sur le plan P de masse et une pluralité d'ensembles E_i d'éléments d'antennes S_ij disposés sur le substrat 11.

Comme déjà mentionné, chaque ensemble E_i correspond à une direction de l'antenne.

Pour réduire l'encombrement de l'antenne, les ensembles E_i d'éléments d'antennes S_ij sont entrelacés les uns en dessous des autres de manière à former une colonne et les ensembles E_i qui correspondent à une même direction de l'antenne sont séparés d'un nombre d'ensemble égal au nombre de direction de l'antenne moins un.

En d'autres termes, une même direction d'antenne se retrouve sur la colonne d'ensemble d'éléments d'antennes de manière périodique, la période étant égale au nombre de direction de l'antenne.

Un tel entrelacement peut générer un couplage entre les éléments d'antennes qui sont plus proches que dans les antennes de type connu.

Pour éviter le couplage entre les éléments d'antennes, la taille des éléments d'antennes est réduite.

Cette réduction de taille est possible par le fait que l'antenne comprend un superstrat 12 diélectrique ayant une permittivité ε₂ supérieure à la permittivité ε₁ du substrat 11 diélectrique.

L'utilisation de ce superstrat 12 permet de conserver des caractéristiques de rayonnement identiques à un élément d'antenne de taille plus grande.

Par ailleurs, une résistance R est connectée entre le plan P de masse et chaque élément S_ij d'antenne. La résistance R est typiquement égale à un Ohm. Cette résistance R sert à court-circuiter l'un des côtés rayonnants de l'élément d'antenne. Ce court-circuit sert à transformer l'élément rayonnant de taille λ/2, constitué de deux monopoles, chacun de taille λ/4 de chaque côté du dipôle, en un seul monopôle de taille λ/4 et par conséquent permet de diviser par deux les dimensions électriques de l'élément rayonnant (voir figure 11).

Cette résistance R permet également d'augmenter sensiblement la bande passante de l'antenne dans son comportement résonnant.

Afin d'obtenir de bonnes performances pour chaque direction de l'antenne, les ensembles E_i qui correspondent à une même direction d'antenne sont connectés entre eux en série.

Les éléments d'antennes appartenant à des ensembles différents sont espacés d'une distance inférieure à λ/n, où λ correspond :

• ▪ dans le cas monofréquence, à la fréquence à laquelle l'antenne doit fonctionner ;
• ▪ dans le cas multifréquences, à la fréquence centrale définie par (f_max-f_min)/2 où f_max est la fréquence maximale à laquelle l'antenne doit fonctionner et f_min est la fréquence minimale à laquelle l'antenne doit fonctionner ; et où
• ▪ n le nombre d'ensembles différents (E_i).

Typiquement on prendra un espacement inférieur à 0,9λ/n.

Les éléments d'antennes d'un même ensemble sont quant à eux espacés d'une distance inférieure à λ.

Les contraintes d'espacement permettent d'obtenir un diagramme de rayonnement des différents éléments avec un seul lobe principal dans une ouverture angulaire (-90°, +90°) du plan de l'ensemble par rapport à l'axe principal de rayonnement perpendiculaire à l'ensemble.

Au-delà de cet espacement, des lobes principaux supplémentaires apparaissent de chaque extrémité de l'ouverture angulaire (-90°, +90°) dégradant les performances en directivité de l'ensemble.

On a illustré sur la figure 7 une antenne à trois faisceaux A, B, C monofréquence. Sur cette figure, dans chaque ensemble E₁, E₂, E₃ les éléments d'antennes S_ij sont connectés entre eux.

En outre, tous les ensembles E₁ sont connectés pour obtenir un premier faisceau A, tous les ensembles E₂ sont connectés pour obtenir un second faisceau B et tous les ensembles E₃ sont connectés pour obtenir un troisième faisceau C.

Les éléments d'antennes d'un même ensemble sont séparés d'une distance de 0,5λ et les éléments d'antennes d'ensembles différents sont séparés d'une distance de 0,3λ (il y a trois faisceaux différents).

Par rapport aux antennes de type connu utilisant un seul faisceau, l'utilisation de plusieurs faisceaux (notamment l'utilisation d'une seule porteuse UMTS avec un code d'embrouillage différent par faisceau) fait appel à des antennes indépendantes et physiquement semblables ayant des diagrammes de rayonnement avec des différents azimuts dans le plan horizontal.

Cette démarche se traduit par une augmentation de la surface globale de la solution antennaire, comprenant une pluralité d'antennes spécifiques.

On a illustré sur la figure 8 l'arrangement des éléments d'antennes S_ij dans un ensemble E_i pour une antenne bifréquences. Le nombre d'éléments d'antennes S_ij est doublé par rapport à une antenne monofréquence (voir figure 7).

Par rapport aux antennes de type connu, l'utilisation de plusieurs fréquences proches pour des différents standards de télécommunications (notamment l'utilisation du spectre 880-960 MHz pour le GSM et l'UMTS) fait appel à des antennes indépendantes et physiquement semblables ayant le même diagramme de rayonnement.

Cette démarche se traduit par une augmentation de la surface globale de la solution antennaire, comprenant une pluralité d'antennes spécifiques.

Les éléments d'antennes S_ij sont de préférence des patchs carrés ou en forme de triangle équilatéral de côté de dimension d : $$d=\frac{{\lambda }_0}{4\sqrt{{\epsilon }_1+\delta {\epsilon }_2}}$$
où ε₁ est la constante diélectrique du substrat et ε₂ est la constante diélectrique du superstrat, λ₀ est la longueur d'onde dans le vide δ est la contribution partielle du diélectrique ε₂ dans le rayonnement de la cavité de l'élément rayonnant.

Ce rayonnement s'opère dans des dimensions effectives prenant en compte la dimension physique d de l'élément et un débordement des champs qui s'étend sur une distance approximativement la valeur de l'épaisseur h₁ du substrat (voir figure 12). On note que la valeur δ est approximativement égale à : $\delta =\frac{h_1}{h_1+d}\mathrm{.}$

Les figures 6a et 6b illustrent respectivement un patch carré et un patch en forme de triangle équilatéral, chaque côté est de dimension d (voir ci-dessus).

Grâce à la réduction des dimensions des éléments d'antennes S_ij, l'entrelacement des ensembles E_i est possible et l'encombrement obtenu est identique à l'encombrement nécessaire à une seule direction de l'antenne de type connu (voir la comparaison entre la configuration de la figure 1 et la configuration de la figure 4).

La figure 9 illustre le couplage entre deux ensembles d'éléments d'antennes en fonction de l'écart entre les éléments pour les éléments de l'antenne de type connu (courbe 20) et pour les éléments plus petits (courbe 30) ayant des caractéristiques de rayonnement identiques. Pour assurer un bon fonctionnement entre différents systèmes, on cherche à obtenir un couplage entre différentes antennes inférieur à -30 dB.

Avec une distance typique de 0,45 λ entre les éléments d'antennes, les deux antennes de type connu ont un couplage entre elles d'environ -10 dB alors qu'avec le même espacement, les deux antennes avec les éléments d'antennes plus petits ont un couplage inférieur à -50dB entre elles.

La figure 10 illustre les performances en termes de gain isotrope des éléments d'antennes de l'antenne de type connu (courbe 40) et pour l'antenne avec des éléments plus petits (courbe 50).

On observe que, malgré l'ajout du superstrat et la réduction substantielle des dimensions physiques de l'élément rayonnant compact, son gain est d'environ 3 dBi à la fréquence de résonnance, à peine 0,2 dB en dessous du gain d'un élément rayonnant classique (environ 3,2 dBi).