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SYSTEME D'ANTENNES DIRECTIONNELLES A POLARISATION
CROISEE
La présente invention porte sur un système d'antennes
directionnelles à polarisation croisée, destinées notamment
à la téléphonie cellulaire.
Le document EP-A-0 730 319 décrit un système
d'antennes directionnelles, comportant un réflecteur plan et
un réseau d'antennes portées par ce réflecteur. Chacune des
antennes est un dipôle défini par deux éléments conducteurs
droits, qui sont montés sur deux supports pour leur fixation
au réf lecteur et sont reliés aux bornes + et - d' une source
d'alimentation. Les antennes du rêseau sont alignées selon ~
l'un des axes du réflecteur. Elles sont à simple
polarisation dans le réseau.
Le document US-A-5 030 962 décrit une structure
d'antennes directionnelles à polarisation croisée,
comportant un substrat de haute résistivité électrique, en
particulier en silicone, un réseau d'antennes formées sur le
substrat et une lentille diélectrique associée à l'ensemble.
Chaque antenne comporte deux dipôles et quatre diodes
interconnectant les dipôles deux à deux. Les diodes sont
montées en boucle en reliant ainsi les quatre branches des
deux dipôles, deux diodes opposées sur la boucle étant de
polarité opposée à celle des deux autres.
Dans cette structure d'antennes, les éléments passifs
définis par les dipôles et les éléments actifs tels que les
diodes et d'éventuels autres composants associés aux dipôles
sont réalisés par des techniques de photogravure
multicouches sur le substrat.
En particulier, les branches des dipôles ont chacune
la forme d'une bande conductrice droite et étroite, ou en
variante d'une plaque conductrice triangulaire et sont deux
à deux opposées, les axes respectifs des deux dipôles étant
orthogonaux.
Ces antennes connues à double polarisation sont
prévues pour des applications radar et fonctionnent à des
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fréquences très élevées, de l'ordre de 100 GHz._Elles ne
conviennent pas pour des applications en téléphonie mobile,
pour lesquelles les antennes doivent être particulièrement
robustes mécaniquement et sont du type transmission large
bande passante autour d'une fréquence préétablie, inférieure
aux fréquences de la structure connue précitée, par exemple
autour de 915 MHz pour les transmissions GSM, ou de 1780 MHz
pour les transmissions DCS ou de 1920 MHz pour les
transmissions PCS.
La présente invention a pour but de réaliser de
manière compacte un systême d'antennes directionnelles à
polarisation croisée, adaptée à la téléphonie mobile.
Elle a pour objet un système d'antennes
directionnelles à polarisation croisée, comportant un
réflecteur sensiblement plan et rectangulaire et au moins
une cellule rayonnante portée par ledit réflecteur, chaque
cellule comportant au moins deux premiers éléments
conducteurs montés tête-bêche et alimentés par une premiêre
source extérieure d'énergie en formant un premier dipôle,
caractérisé en ce que chaque cellule rayonnante comporte
deux deuxièmes éléments conducteurs montés identiquement aux
premiers et alimentés par une deuxième source extérieure
d'énergie en formant un deuxième dipôle, et en ce que
lesdits éléments conducteurs sont des éléments pliés en
forme de Vé et montés orthogonalement les deuxièmes par
rapport aux premiers.
De préférence, ce système d'antennes présente aussi au
moins l'une des caractéristiques additionnelles suivantes .
- chaque élément conducteur est constitué par une
plaque pliée en Vé ;
- les éléments conducteurs en Vé ont chacun une
ouverture comprise entre 20 et 80°, de préférence entre 40
et 50° environ ;
- les éléments conducteurs en Vé présentent une
orientation selon un angle différent de zéro par rapport à
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l'horizontale, pour présenter une direction de polarisation
décalée angulairement par rapport à l'horizontale ;
- la direction de polarisation est de + 45° et - 45°
environ, pour les éléments conducteurs de l'un et l'autre
des dipôles respectivement ;
- chaque élément conducteur présente une patte
conductrice, d'une part solidaire de la base du Vé et
saillante d'un côté du Vé sur une longueur sensiblement
égale au quart de la longueur d' onde rayonnée par le dipôle
correspondant et d'autre part fixée sur ledit réflecteur ;
avantageusement, il est prévu une pièce conductrice de
fixation des pattes des éléments conducteurs d'une même
cellule sur le réflecteur, lesdites pattes ayant leurs
extrémités encastrées dans ladite pièce de fixation et
soudées sur celle-ci ; en outre, il peut être prévu une
pièce de solidarisation, en matériau de résistivité
électrique élevée, solidarisant entre eux lesdits éléments
conducteurs d'une même cellule ;
- un réseau de cellules est monté selon l'axe
longitudinal du réflecteur ;
- deux câbles principaux sont d'une part reliés
respectivement à deux connecteurs coaxiaux prévus sur l'une
des extrémités du réflecteur et affectés auxdites première
et deuxième sources, et d'autre part reliés respectivement à
deux diviseurs d'énergie eux mêmes reliés respectivement à
des premiers et des . deuxièmes câbles affectés à
l'alimentation des deux dipôles de différentes cellules ;
- le réflecteur porte des profilés montés parallèles à
l'axe longitudinal et disposés symétriquement de part et
d'autre du réseau de cellules pour former un compensateur de
couplage.
Les caractéristiques et avantages de la présente
invention ressortiront de la description faite ci-après d'un
exemple préféré de réalisation illustré dans les dessins ci
annexés. Dans ces dessins .
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- la figure 1 est une vue de face d'une- cellule
d'antennes directionnelles à double polarisation, selon
l'invention,
- la figure 2 est une de côté de la cellule selon la
f figure 1,
- la figure 3 est une vue de face d'un système à
réseau d'antennes selon l'invention,
- la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-
IV de la figure 3,
- la figure 5 est une vue en coupe simplifiée du
réseau d'antennes de la figure 3 montrant deux corniêres
selon un premier mode de rêalisation,
- la figure 6 est une vue en coupe simplifiée du
réseau d'antennes de la figure 3 montrant deux cornières
selon un deuxième mode de réalisation.
En se référant à la figure 1 et/ou la figure 2, la
cellule rayonnante selon l'invention comporte deux antennes
directionnelles 1 et 2, à polarisation croisée.
Chacune de ces deux antennes constitue un dipôle formé
par un couple d'éléments conducteurs en forme de Vé lA et 1B
ou 2A et 2B selon le dipôle.
Les deux éléments conducteurs d'un même dipôle sont
montés tête-bêche. Les deux éléments conducteurs de l'un des
deux dipôles sont orthogonaux à ceux de l'autre. Les
éléments conducteurs du dipôle 1 sont reliés à un câble
coaxial 3, pour leur alimentation par une première source
extérieure d'énergie. Les éléments conducteurs du dipôle 2
sont pareillement reliés â un autre câble coaxial 4, pour
leur alimentation par une deuxième source extérieure
d'énergie, qui est indépendante de la première. Lès
polarités des dipôles sont notées + et - respectivement en
regard des deux éléments conducteurs de chacun d'eux.
Sur cette figure 1, on a illustré en 5 et 6 les deux
polarisations croisées de la cellule rayonnante, qui
correspondent aux bissectrices des éléments conducteurs de
l'un et l'autre des dipôles 1 et 2 et résultent des courants
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dans ces éléments. Ces polarisations croisées 5 et 6 sont
les composantes principales de polarisation obtenue par les
dipôles alimentés 1 et 2. Elles sont en phase pour les deux
éléments conducteurs du même dipôle.
5 On a également illustré en 7A-7B et 8A-8B les deux
composantes secondaires . orthogonales aux composantes
principales de polarisation. Ces composantes secondaires
sont en opposition de phase, dans chaque élément conducteur
des dipôles.
La forme en Vé de chaque élément conducteur des
dipôles a l'avantage de minimiser l'effet lointain de ces
composantes orthogonales qui tendent à s'annuler deux à
deux. On précise comparativement, en ce qui concerne les
dipôles à éléments conducteurs formés par deux plaques ou
couches ayant la forme d'un Vé plein, que l'effet lointain
des composantes orthogonales demeure important. En effet
dans un tel dipôle, les lignes de courant s'évasent à
proximité des bords de chaque Vé plein pour venir suivre ces
bords et font que les composantes orthogonales ne sont plus
en opposition de phase.
Les éléments conducteurs en forme de Vé des deux
dipôles sont de préférence des plaques pliées en Vé. Cette
réalisation à l'aide de plaques et non pas, de conducteurs
électriques du type fil permet d'augmenter la bande passante
des dipôles.
L'ouverture du Vé de chacun des éléments conducteurs
est de préférence comprise entre 20° et 80°. Elle est
avantageusement de 40 à 50° environ, pour permettre une
optimisation d'impédance des antennes.
Avantageusement aussi, l'orientation des Vés par
rapport à l'horizontale ou la verticale est choisie de sorte
que ni l'une ni l'autre des polarisations 5 et 6 aient cette
direction horizontale, ceci afin d'optimiser les
caractéristiques de transmission des deux dipôles. En
particulier cette orientation des Vés est telle que les
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directions des polarisations 4 et 5 soient à + 45°-et - 45°
respectivement par rapport à la verticale.
En regard de la figure 2, on voit que les éléments
conducteurs en Vé comportent chacun les deux branches de
chaque Vé mais également une patte 9A .ou 9B transversale au
Vé et partant de la base de celui-ci.
Les deux branches du Vé et la patte forme une même
pièce, la patte étant elle-même pliée en même temps que les
branches.
Dans la cellule d'antennes à polarisation croisée, la
longueur~de chaque dipôle est sensiblement égale à la moitié
de la longueur d'onde de l'énergie rayonnée. Les pattes
telles que 9A, ou 9B sont quant à elles de longueur
sensiblement égale au quart de la longueur d'onde et jouent
le rôle de symétriseurs de courant,donnant les polarités +
et - aux deux éléments du même dipôle alimenté. Ainsi, la
puissance électrique fournie par la source d'énergie reliée
à l' un des dipôles est transformée en ondes radiofréquences
rayonnées par le dipôle selon un diagramme large-bande
souhaitée. -
Dans la figure 3 et/ou la figure 4, le système
d'antennes illustré comporte un réseau d'antennes à double
polarisation, qui sont identiques les unes aux autres et à
la cellule de la figure 1 et sont toutes désignées sous la
même référence globale 10, cette référence globale étant
reportée en correspondance dans les figures 1 et 2. Ce
réseau d'antennes ou cellules rayonnantes 10 est porté par
un réflecteur plan rectangulaire 11. I1 est disposé selon
l'axe longitudinal du rêflecteur. I1 comporte quatre
cellules dans l'exemple illustré. Chaque cellule est
alimentée par ses deux câbles 3 et 4 reliés aux deux dipôles
de la cellule. Le réflecteur est de largeur voisine d'une
longueur d'onde de l'énergie rayonnée par les antennes. Pour
l'alimentation des dipôles des différentes cellules, les
câbles 3 de ces différentes cellules sont reliés à un câble
principal 13 à travers un diviseur d'énergie 15 et
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pareillement les câbles 4 sont reliës à un autre câble
principal 14 à travers un deuxième diviseur d'énergie 16.
Ces deux câbles principaux 13 et 14 sont par ailleurs reliés
à deux connecteurs coaxiaux 17 et 18, portés par l'une des
extrémités du réflecteur et prévus pour les deux sources
d'énergie affectées aux dipôles des différentes cellules 10.
En se référant plus particulièrement aux figures 1, 2
et 4 on précise que chacune des cellules 10 est fixée sur le
réflecteur à l'aide d'une pièce conductrice 19, prévue en
bout des pattes telles que 9A et 9B des deux dipôles et elle
même fixêe au réflecteur.
Cette pièce 19 est de forme circulaire et relativement
plate. Elle présente quatre alésages dans ~1'une de ses
faces, dans lesquelles sont encastrées et soudées les
extrémités des quatre pattes telles que 9A et 9B et est
solidarisée par vis au réflecteur.
Les éléments conducteurs en Vé munis de leur patte
individuelle et la pièce de fixation 19 sont en laiton.
On précise êgalement, en se référant aux figures 1 à
3, qu'une autre pièce de haute résistivité électrique 20 par
exemple en plastiqûe est avantageusement montée entre les
quatre éléments conducteurs du même dipôle, pour renforcer
leur solidarisation d'ensemble. Cette pièce 20 sert aussi à
la fixation des deux câbles coaxiaux 3 et 4, dont le .
conducteur central de chacun est soudé à l'un des éléments
conducteurs. Cette pièce de solidarisation est ajourée pour
minimiser son influence dans la cellule concernée 10.
Le systëme d'antennes à polarisation croisée est aussi
muni d'au moins une paroi métallique de séparation telle que
21, entre les cellules ou groupes de cellules du réseau. La
seule paroi 21 utilisée dans le système d'antennes selon les
figures 3 et 4 est prévue selon l'axe transversal du
réflecteur 11. Elle est fixée sur le réflecteur, en étant
saillante sur celui-ci. Elle évite un couplage direct entre
les éléments rayonnants situés de part et d'autre d'elle.
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Selon l'invention également, ce système d'antennes est
équipé en outre d'un compensateur de couplage aérien
indirect entre les dipôles, ce couplage indirect résultant
pour une part importante du couplage entre les champs
électriques issus de réflexions parasites sur le réflecteur
et plus particulièrement sur ses bords longitudinaux prévus
généralement pliés et notés 11A et 11B.
Le compensateur de couplage comprend deux profilés ou
cornières 23A, 23B. Ces cornières sont montées sur le
réflecteur plan rectangulaire parallèlement aux . bords
longitudinaux, et disposées de façon symétrique de part et
d'autre de l'axe longitudinal suivant lequel les quatre
cellules sont alignées.
Les deux cornières offrent des surfaces
réfléchissantes supplémentaires par rapport aux bords, de
sorte que la recombinaison des champs électriques réfléchis
par les bords et par les cornières conduit à une réduction
sensible du couplage entre les deux polarisations
orthogonales du système d'antennes.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention,
figure 5, chaque cornière 23A ou 23B comprend une base 24A
ou 24B fixée sur le réflecteur 11 et une arête 26A ou 26B
pliée d' un angle x inférieur à 180 degrés par rapport à la
base, par exemple d'un angle droit. Les différentes cotes du
système d'antennes représenté sur la figure 5 sont par
exemple en millimètres (mm) .
- largeur du réflecteur 250 mm
- hauteur de chaque bord 32 mm
- hauteur de l'arête de chaque cornière 35 mm
- distance de l'arête au bord le plus proche 84 mm
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
figure 6, chaque cornière 23A ou 23B comprend un replat 28A
ou 28B plié par rapport à l'arête, par exemple d'un angle
droit, et dirigé vers lé bord longitudinal correspndant 11A
ou 11B. Les différentes cotes du système d'antennes
représenté sur la figure 6 sont par exemple .
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- largeur du réflecteur _ 300 mm
- hauteur de chaque bord 48 mm
- hauteur de l'arête de chaque cornière 20 mm
- distance de l'arête au bord le plus proche 128 mm
- largeur du replat 37 mm.
Pour les deux exemples précédents, le système
d'antennes a une bande passante allant de 872 MHz à 960 MHz
centrée autour de 915 MHz. Pour déterminer expérimentalement
le couplage entre les deux polarisations orthogonales du
système d'antennes, une puissance électromagnétique est
envoyée par une source d'énergie sur les dipôles lA - 1B des
quatre cellules identiques 10 dont la polarisation forme un
angle de + 45 degrés avec le bord longitudinal 11A. Les
dipôles 2A - 2B des cellules 10 dont la polarisation forme
un angle de -45 degrés avec le bord longitudinal 11B
détectent une puissance due au couplage, qui en présence des
deux cornières décrites dans les deux exemples précëdents,
est de l'ordre du millième de la puissance envoyée par la
source, alors qu'en l'absence des cornières, elle est de
l'ordre du centiême. Les deux cornières permettent ainsi de
diviser par dix le couplage entre les deux polarisations
croisées du système d'antennes qui passe de 20 décibel (dB)
à 30 dB.
En variante non représentée le compensateur peut
comprendre de chaque côté des quatre cellules plusieurs
cornières telles que celles précitées ou un profilé à
plusieurs arêtes telles que celles des cornières précitées.
. On note, pour compléter la structure du système
d'antennes selon l'invention, que celui-ci est équipé d'un
radôme 30 fixé sur les rebords du réflecteur 11, ainsi que
montré dans les figures 3 et 4. Une pièce support 31 est
fixée sur la partie centrale de la paroi métallique 21, pour
une meilleure tenue mécanique du radôme.
