DOMAINE TECHNIQUE GENERAL

L'invention concerne le domaine des antennes panneaux, notamment celles utilisées dans des réseaux cellulaires.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les stations de base (en anglais, « Base Transceiver Station », (BTS)) sont soumises à d'importantes contraintes d'aménagement en hauteur (abat-sons des églises, bas-reliefs des façades de bâtiments protégés, etc).

Actuellement, les réseaux cellulaires font appel à des antennes à fort gain isotrope afin de maximiser leur portée radio. Ces gains sont obtenus grâce à des panneaux avec des hauteurs qui varient couramment entre 1,2 m pour la bande 1800/2100 MHz et 2,4 m pour la bande 900 MHz.

Une antenne panneau comprend de manière connue une pluralité d'éléments d'antennes disposés en rangée verticale sur un substrat.

La figure 1 illustre une antenne panneau de type connu.

L'antenne panneau de la figure 1 comprend huit éléments d'antennes E _t (i=l à 8) disposés sur un substrat 11, chaque élément d'antenne Ei comprend un point d'accès Ai et sont espacés d'une distance d _e d'environ 0,9λ, λ étant la longueur d'onde dans le vide à la fréquence centrale de la bande de fréquences de l'antenne. La distance est entendue entre deux points d'accès Ai des éléments d'antennes E _t .

Les éléments d'antennes Ei sont alimentés par exemple en arborescence : les éléments d'antennes E _t contigus sont connectés deux à deux au moyen d'une première ligne d'alimentation Li pour former quatre paires d'éléments d'antennes.

Les paires sont en outre connectées deux à deux au moyen d'une seconde ligne d'alimentation L ₂ pour former deux quadruplets d'éléments d'antennes et les quadruplets sont enfin connectés entre eux au moyen d'une troisième ligne d'alimentation L ₃ . On note que les lignes d'alimentation sont définies entre deux points d'accès Ai de chaque élément d'antenne ¾.

Les figures 2a et 2b illustrent respectivement une vue de dessus et une vue de profil d'un élément d'antenne Ei disposé sur le substrat 1 1. L'élément d'antenne Ei disposé sur le substrat forme une source rayonnante connue sous le nom de « patch ».

Le substrat 1 1 diélectrique a une constante ε ₁ diélectrique et est disposé sur un plan de masse P, l'élément d'antenne Et étant disposé sur le substrat 1 1.

L'élément d'antenne Ei est disposé sur le substrat 11 diélectrique connecté à un connecteur Ai pour alimenter l'élément d'antenne Ei.

Chaque élément d'antenne Ei présente en fonctionnement un gain unitaire d'environ 8dBi, l'antenne de la figure 1 présente donc un gain de 8dBi+101og(8)=17dBi pour une hauteur de 8 x 0,9λ=7,2λ.

Les tableaux des figures 3a et 3b montrent le rapport entre le gain de l'antenne et sa hauteur pour deux principales bandes de fréquences utilisées dans les réseaux cellulaires (la bande 880-960 MHz, dite « 900 MHz » et la bande 1710-2170 MHz, dite « 2100 MHz ») à la fréquence centrale de la bande de fréquences de l'antenne. On constate notamment que pour passer d'un gain de 15dBi à 17dBi il faut environ doubler la hauteur de l'antenne pour une fréquence centrale donnée.

On comprend donc que la hauteur de l'antenne est imposée par le nombre d'éléments d'antenne Ei. Ainsi, plus l'antenne possède un gain important, plus le nombre d'éléments nécessaires est important et plus l'antenne est grande.

Ceci n'est pas sans problème puisque la tendance actuelle est d'imposer des hauteurs maximales pour les antennes panneau voire des réductions de hauteur.

On connaît une solution pour diminuer la taille d'une antenne panneau qui consiste à supprimer des éléments d'antennes Ei. Or une telle suppression conduit à une perte en termes de gain d'antenne et donc une dégradation des performances de l'antenne. PRESENTATION DE L'INVENTION

Un objectif de l'invention est de pouvoir augmenter le gain d'une antenne sans avoir à augmenter la taille de l'antenne.

Un autre objectif de l'invention est de pouvoir réduire la hauteur d'une antenne sans diminution du gain de l'antenne.

Ainsi, l'invention concerne une antenne panneau comprenant un plan de masse, un substrat diélectrique, ayant une permittivité, le substrat étant disposé sur le plan de masse, au moins une source rayonnante, chaque source rayonnante étant constituée d'une pluralité d'éléments d'antennes, les éléments d'antennes étant disposés sur le substrat et sont en outre disposés les uns par rapport aux autres consécutivement avec un espacement d'une distance inférieure à une longueur d'onde λ, la longueur d'onde λ correspondant à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.

L'antenne de l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un superstrat diélectrique, ayant une permittivité supérieure à la permittivité du substrat, le superstrat étant disposé au-dessus des éléments d'antennes et en ce que les éléments d'antennes sont tous identiques et possèdent en fonctionnement des caractéristiques de rayonnement identiques.

L'arrangement des éléments d'antenne constituant chaque source rayonnante permet d'obtenir une réduction de la hauteur à gain constant soit d'obtenir une augmentation du gain à hauteur constante.

De préférence, l'antenne comprend en outre un superstrat diélectrique, ayant une permittivité supérieure à la permittivité du substrat, le superstrat étant disposé sur les éléments d'antennes.

L'association du superstrat avec l'arrangement des éléments d'antenne permet d'obtenir soit la réduction de la hauteur à gain constant soit une augmentation du gain à hauteur constante.

L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :

- chaque source rayonnante comprend quatre éléments d'antennes connectés de proche en proche par paires au moyen d'une première ligne d'alimentation, lesdites paires étant connectées l'une à l'autre au moyen d'une seconde ligne d'alimentation, la seconde ligne d'alimentation comprenant en son centre un point d'accès de la source rayonnante adapté pour l'alimentation de ladite source rayonnante ;

- elle comprend une pluralité de sources rayonnantes, les sources rayonnantes étant disposées l'une par rapport à l'autre de manière telle que leurs points d'accès sont espacés d'une distance égale à la distance entre deux éléments d'antennes, chaque source rayonnante possédant des caractéristiques de rayonnements identiques ;

- les éléments d'antennes sont disposés les uns par rapport aux autres avec un espacement d _e égal à ds(N-l)/N, où ds est la distance entre deux points d'accès de deux sources rayonnantes et N est le nombre d'éléments d'antennes de chaque source rayonnante ;

- chaque source rayonnante comprend préférentiellement entre deux et six éléments d'antennes ;

- les éléments d'antennes sont des patchs ayant une forme choisie parmi le groupe suivante : carrée, triangle équilatéral, ellipsoïdale ;

- les éléments d'antennes sont issus des technologies suivantes : cornets ou antennes flaires ;

- elle comprend une résistance connectée entre le plan de masse et chaque élément d'antenne.

L'invention concerne également un réseau de communication cellulaire comprenant une antenne panneau selon l'invention.

PRESENTATION DES FIGURES

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 outres les figures 1, 2a, 2b, 3a et 3b déjà discutées : - la figure 4 illustre une antenne panneau conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 5 illustre une antenne panneau conforme à un second mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 6a et 6b illustrent respectivement une vue de dessus et une vue de profil d'un élément d'antenne de l'antenne de l'invention ;

- la figure 7 illustre une source élémentaire conforme à l'invention ;

- la figure 8 illustre une antenne panneau de type connu présentant en fonctionnement un même gain que l'antenne conforme au premier mode de réalisation de l'invention. ;

- la figure 9 illustre une antenne panneau de type connu ayant la même hauteur que l'antenne conforme au seconde mode de réalisation de l'invention.

Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références numériques identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

On décrit ci-dessous deux modes de réalisation de l'invention en relation avec les figures 4 à 9.

On entend par « élément d'antenne » un élément rayonnant ayant un corps conducteur, de préférence plat.

On entend par « source rayonnante » l'association de plusieurs éléments d'antennes.

On entend par « antenne panneau » une antenne planaire comprenant plusieurs éléments d'antennes.

Pour chaque mode de réalisation, l'antenne panneau comprend un substrat 11 diélectrique ayant une permittivitée _! , le substrat 11 étant disposé sur un plan P de masse. En outre, l'antenne panneau comprend au moins une source rayonnante Si.

Chaque source rayonnante Si est constituée d'une pluralité d'éléments d'antennes Ey disposés les uns par rapport aux autres consécutivement. Deux éléments d'antennes consécutifs sont espacés d'une distance d _e inférieure à la longueur d'onde λ, la longueur d'onde λ correspondant à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.

L'antenne de la figure 4 comprend deux sources rayonnantes Si, S ₂ et l'antenne de la figure 5 comprend six sources rayonnantes.

De manière avantageuse, chaque source rayonnante Si comprend quatre éléments d'antennes En, E _i2 , E _i3 , E _i4 connectés par exemple en arborescence par paires au moyen d'une première ligne d'alimentation Li.

Chaque élément d'antenne comprend un point d'accès Ay pour la connexion des éléments d'antennes par paire par l'intermédiaire de la ligne d'alimentation Li.

Les paires d'élément d'antennes Ey sont connectées au moyen d'une seconde ligne d'alimentation L ₂ . La seconde ligne d'alimentation L ₂ comprend, en son centre, un point d'accès Ai de la source rayonnante Si. Un tel point d'accès Ai est adapté pour l'alimentation de la source rayonnante Si auquel il se rapporte.

Comme on le comprend, il y a autant de point d'accès Ai que de sources rayonnantes Si. Ainsi l'antenne de la figure 5 comprenant six sources rayonnantes, comprend donc six points d'accès Ai, A ₂ , A ₃ , A ₄ , A ₅ , A ₆ .

Les sources rayonnantes Si sont disposées l'une par rapport à l'autre de manière telle que leurs points d'accès Ai sont espacés d'une distance égale à la distance ds entre deux points d'accès consécutifs de deux sources rayonnantes Si.

En outre, les éléments Ey d'antennes d'une source rayonnante Si sont disposés les uns par rapport aux autres avec un espacement d _e égal à ds(N-l)/N, où ds est la distance entre les sources rayonnantes Si et N est le nombre d'éléments d'antennes Ey de chaque source rayonnante Si. La distance d _e est quant à elle la distance entre deux points d'accès Ay consécutifs de chaque élément d'antenne Ey.

De manière plus précise, en définissant un axe principal passant par les centres de symétrie de chaque élément d'antenne, les points d'accès Ay de chaque élément d'antenne sont situés sur un axe perpendiculaire à l'axe principal, les première et seconde lignes d'alimentation Li, L ₂ sont parallèles à l'axe principal. De manière préférée, chaque source rayonnante Si comprend quatre éléments rayonnants Ey.

En outre, l'antenne comprend (celles des figures 4 et 5) en outre un superstrat 12 diélectrique ayant une permittivité ε ₂ supérieure à la permittivité ε ₁ du substrat 11 qui est disposé sur les éléments d'antennes Ey.

Par rapport à un élément d'antenne Ei formant une source rayonnante de type patch, de type connu, l'élément d'antenne Ey est ainsi plongé dans un milieu à forte permittivité ce qui permet de réduire la taille de l'élément d'antenne pour réduire sa longueur d'onde de fonctionnement, ou plutôt de la conserver et de réduire sa dimension physique.

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

Par ailleurs, une résistance R est connectée entre le plan P de masse et chaque élément Ey d'antenne (voir figures 6a et 6b). 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 monopôles, 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.

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

Enfin, la permittivité ε ₁ est par exemple comprise entre 1 et 4 et est de préférence égale à 2,2 et la permittivité ε ₂ est par exemple comprise entre 10 et 50 et est de préférence égale à 30.

A titre d'exemple, par rapport à l'élément d'antenne Ei d'un patch de type connu, pour une fréquence de fonctionnement dans la bande GSM à la fréquence centrale de 920MHz le côté de l'élément d'antenne Ei est de dimension égale à 94 mm tandis que le côté de l'élément d'antenne Ey (avec le superstrat) est de dimension égale à 21,5 mm. Toujours à titre d'exemple, on peut envisager des éléments d'antennes Ey carrés, en forme de triangle équilatéral ou en forme ellipsoïdale ou bien encore issues des technologies suivantes : cornets ou antennes filaires qui permettent par leur faible taille ou faible ouverture rayonnante, l'association de sources.

Réduction de la hauteur - Gain constant

L'antenne illustrée sur la figure 4 permet de diminuer la hauteur d'une antenne panneau de type connu en conservant un même gain de 17 dBi.

Elle comprend deux sources rayonnantes Si, S ₂ espacées d'une distance ds = 0,9λ chacune composée de quatre éléments d'antennes espacés d'une distance d _e = 0,9λ (4-l)/4 = 0,675 λ (voir figure 7).

Chaque source rayonnante présente en fonctionnement un gain de 14dBi de sorte que l'antenne de la figure 4 présente en fonctionnement un gain de 17dBi.

Toutefois, par rapport à l'antenne telle qu'illustrée sur la figure 8 la hauteur est divisée par deux : on passe de 7,2 λ (8 x 0,9 λ) à 3,6λ (4 x 0,9 λ).

Les sources rayonnantes Si et S ₂ ayant chacune un point d'accès Ai, A ₂ sont imbriquées le long de l'axe longitudinal de l'antenne (voir figure 4) de sorte que les points d'accès Ai des sources Si soient écartés de la même distance ds. Pour une meilleure compréhension du schéma d'alimentation des différentes sources, chaque point d'accès est disposé sur un côté opposé au point d'accès suivant.

La distance entre deux éléments rayonnants consécutifs appartenant à deux sources rayonnantes différentes varie entre ds/N et ds(N-l)/N, soit entre 0,225 λ et 0,675 λ.

Augmentation du gain - hauteur constante

L'antenne illustrée sur la figure 5 permet d'augmenter le gain de l'antenne tout en conservant la même hauteur qu'une antenne panneau de type connu.

Elle comprend six sources rayonnantes, chacune composée de quatre éléments d'antennes (voir figure 7).

Comme dans le mode de réalisation précédent, chaque source rayonnante présente en fonctionnement un gain de 14dBi de sorte que l'antenne de la figure 5 présente en fonctionnement un gain de 21,8 dBi au lieu de 17dBi obtenu par l'antenne de même hauteur telle qu'illustrée sur la figure 9 (hauteur égale à 7,2λ).

Comme précédemment les sources rayonnantes ayant pour chacune un point d'accès Ai, A ₂ , A ₃ , A ₄ , A ₅ , A ₆ sont imbriquées le long de l'axe longitudinal de l'antenne (voir figure 5) de sorte que les points d'accès Ai des sources Si soient écartées de la même distance ds. Pour une meilleure compréhension du schéma d'alimentation des différentes sources, chaque point d'accès est disposé sur un côté opposé au point d'accès suivant.

La distance entre deux éléments rayonnants consécutifs appartenant à deux sources rayonnantes différentes varie entre ds/N et ds(N-l)/N, soit entre 0,225 λ et 0,675 λ.