La présente invention se rapporte au domaine des antennes de télécommunications transmettant des ondes radioélectriques dans le domaine des hyperfréquences au moyen d'éléments rayonnants.

Pour les services de communication mobile GSM, DCS/PCS, UMTS, ..., il a été développé des éléments rayonnants de formes variées. On connait notamment un élément formé de deux dipôles croisés à polarisation orthogonale ± 45°, dit de type « papillon ». Ces éléments présentent des avantages en termes de performances radiofréquences, capacité d'industrialisation, coût et robustesse. C'est pourquoi ces éléments sont largement utilisés pour des applications en dessous de 2,5 GHz. Pour des bandes de fréquences plus élevées où interviennent des contraintes très importantes sur les dimensions des éléments rayonnants et leur assemblage, ce type d'élément a montré ses limites dues à sa taille et à ses propriétés mécaniques.

C'est pourquoi, pour les antennes WIMAX (bande de fréquences 2,3-2,7GHz et 3,3-3,8GHz) par exemple, on utilise des éléments rayonnant imprimés sur un substrat diélectrique. Cette solution a pour avantage de permettre une fabrication précise et répétitive, et d'être utilisable pour différentes bandes de fréquences. Cependant ces éléments rayonnants présentent des insuffisances en terme de bande passante ("bandwidth" en anglais) et de largeur de faisceau ("beamwidth" en anglais), notamment dans le plan horizontal, particulièrement lorsque le plan de masse sur lequel sont placés les éléments rayonnants est de taille limité (inférieur à la longueur d'onde λo relative à la fréquence de fonctionnement de l'antenne). Afin de satisfaire notamment les exigences liées au traitement numérique du signal, les nouveaux services sont plus exigeants en terme de bande passante, requièrent le gain le plus élevé possible et des niveaux d'isolation entre éléments rayonnants très importants dans un environnement plus compact.

Une solution pour élargir la bande passante des éléments rayonnants consiste à optimiser leur forme, ce qui leur confère des propriétés large bande et une meilleure stabilité du diagramme de rayonnement. L'environnement de l'élément rayonnant a également été amélioré : amélioration de la forme du plan de masse ("ground plane" en anglais) et des parois latérales, ajout de formes particulières de manière à optimiser le diagramme de rayonnement (stabilité, largeur de faisceau, niveau de polarisation croisée) et de couplage (entre éléments rayonnants ou entre colonnes d'éléments rayonnants).

Toutefois l'arrivée de nouveau services (multimédia, téléphonie 4G, système d'accès mobile large bande 2-66 GHz), nécessitant un fonctionnement multipolarisé dans des bandes de fréquences plus élevées et un environnement très réduit, ont montré les limites des éléments rayonnants existants, même ceux bénéficiant d'une forme optimisée. Or la demande des utilisateurs se fait pressante sur les antennes à haute directivité ayant une large bande passante. En outre les applications mobiles exigent des solutions très compactes présentant malgré tout un faible couplage entre éléments lorsque qu'elle comporte des colonnes adjacentes d'éléments rayonnants. Ces éléments ont donc encore besoin d'être perfectionnés au point de vue précision, solidité, coût et performances.

La présente invention a donc pour but de proposer une antenne améliorée par rapport à celles de l'art antérieur au point de vue des performances radiofréquences, de la fiabilité et du prix de revient.

L'invention a encore pour but de proposer une antenne multipolarisée

(verticalement, horizontalement ou orthogonalement ± 45°) très compacte dont le taux de couplage entre éléments rayonnants adjacents est moindre, malgré un encombrement réduit.

L'invention propose encore un élément rayonnant d'antenne dont la bande passante est élargie et le gain augmenté par rapport aux éléments rayonnants connus de l'art antérieur. L'invention propose aussi un procédé simple et facile à mettre en œuvre pour la fabrication d'éléments rayonnants d'antenne.

L'objet de la présente invention est une antenne comportant au moins un élément rayonnant d'antenne comprenant

- au moins un dipôle, comportant un pied et des bras, imprimé sur l'une des face d'un support plan à constante diélectrique élevée,

- au moins une ligne conductrice, alimentant le dipôle, imprimé sur le support du dipôle,

- au moins un élément parasite imprimé sur le support du dipôle et disposé parallèlement aux bras du dipôle, - au moins un élément parasite est disposé dans un plan qui est perpendiculaire au plan du support portant l'élément rayonnant et parallèle aux bras du dipôle de l'élément rayonnant, l'élément parasite étant intercalé entre les rangées d'éléments rayonnants.

On entend par élément parasite un élément conducteur, disposé au-dessus d'un dipôle, qui n'est pas alimenté, ni directement, ni indirectement par l'intermédiaire du dipôle. Il est souvent désigné par le terme "directeur". Une augmentation du gain et de la largeur de la bande passante est obtenue par l'addition d'éléments parasites au-dessus des dipôles. Une attention particulière est portée à la forme des éléments rayonnants

(disposition dipôle / élément parasite, formes courbes ou effilées, design fractal du dipôle par exemple) vis-à-vis de l'impédance large bande et de la stabilité du diagramme de rayonnement (polarisation croisée optimisée, rejet d'une bande de fréquence par exemple). L'élément rayonnant est suffisamment précis pour être utilisé dans les nouveaux services de télécommunication faisant appel, à des fréquences élevées, en particulier supérieures à 2,5 GHz. En particulier, la technique d'impression des éléments sur un support plan apporte une grande liberté et des propriétés nouvelles notamment pour les applications aux antennes sans fil. Selon une première variante, l'antenne comprend deux dipôles croisés, comportant respectivement deux bras colinéaires, et au moins un élément parasite associé à chaque dipôle, les dipôles et les éléments parasites étant imprimé sur un support comportant des plans orthogonaux.

Selon une deuxième variante, les éléments rayonnants de l'antenne sont imprimés côte à côte sur un support plan commun de manière à constituer une rangée. Selon une forme d'exécution, les éléments parasites sont à motif fractal. Selon une autre forme d'exécution, les éléments rayonnants sont à motif fractal. Selon un mode de réalisation, l'antenne comprend au moins deux éléments parasites superposés imprimés sur le support du dipôle parallèlement aux bras du dipôle.

Selon un autre mode de réalisation, l'antenne comprend en outre un élément perturbateur est disposé dans un plan qui est perpendiculaire au plan du support portant l'élément rayonnant et parallèle aux bras du dipôle de l'élément rayonnant, l'élément perturbateur étant intercalé entre les rangées d'éléments rayonnants. Les éléments perturbateurs ont pour fonction de minimiser le couplage entre les éléments rayonnants en introduisant des perturbations dans le champ électromagnétique.

L'invention permet l'amélioration des performances radiofréquences de l'antenne, en particulier l'amélioration de la directivité, l'augmentation de la largeur de bande, l'aptitude au fonctionnement multibande, et l'amélioration du découplage entre colonnes adjacentes d'éléments.

L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'un élément rayonnant de cette antenne comprenant au moins une étape d'impression d'au moins un dipôle et d'au moins un élément parasite sur un même support diélectrique plan, et une étape d'impression d'au moins un élément perturbateur sur un support plan diélectrique perpendiculaire au plan du support portant l'élément rayonnant.

Le procédé de fabrication a comme avantage d'être simple et facile à mettre en œuvre, permettant d'obtenir un élément rayonnant solide et bon marché. Les éléments rayonnants ainsi fabriqués contribuent à l'assemblage d'antennes plus robustes et plus précises malgré le nombre d'éléments parasites, et de l'addition d'éléments perturbateurs. .

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours des exemples suivants de réalisation, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel :

- les figures 1a, 1 b et 1 c représentent en vue schématique de face un élément rayonnant à polarisation verticale comportant un élément parasite,

- la figure 2a montre une vue partielle d'une antenne comportant des éléments rayonnants analogues à ceux des figures 1 a-1c, et la figure 2b est une vue détaillée de l'un de ces éléments,

- la figure 3 montre en ordonnée le facteur de réflexion I en déciblels en fonction de l'impédance F en ohms porté en abcisse,

- la figure 4 est le diagramme de rayonnement dans le plan vertical de l'antenne de la figure 2, - la figure 5 est le diagramme de rayonnement dans le plan horizontal de l'antenne de la figure 2,

Sur les figures 4 et 5, l'intensité du rayonnement R en dBi est donnée en ordonnée, et en abscisse l'angle A de rayonnement dans le plan considéré en degrés. - la figure 6 représente une vue schématique de face d'un élément rayonnant comportant plusieurs éléments parasites,

- les figures 7a-7h sont des vues schématiques de face de divers éléments rayonnants à polarisation verticale comportant un élément parasite, - les figures 8a et 8b sont des vues schématiques de face d'un élément rayonnant à polarisation verticale comportant un élément parasite à forme fractale,

- les figures 9a et 9b sont une vue schématique de face avant et arrière d'un élément rayonnant à polarisation croisée comportant un élément parasite,

- la figure 10 montrent une vue partielle d'une antenne comportant les éléments rayonnants à polarisation croisée analogues à ceux des figures 9a et 9b,

- la figure 11 représente une vue schématique en perspective d'un réseau d'éléments rayonnants à polarisation croisée comportant des dipôles et des éléments parasites à forme fractale,

- la figure 12 représente une vue schématique en perspective d'un réseau d'éléments rayonnants à polarisation croisée comportant des éléments parasites décalés selon une première variante, - la figure 13 représente une vue schématique en perspective d'un réseau d'éléments rayonnants comportant des éléments parasites décalés selon une deuxième variante,

- la figure 14 représente en vue schématique en perspective d'un réseau d'éléments rayonnants plans à polarisation verticale dans lequel des éléments perturbateurs sont placés entre les rangées d'éléments rayonnants selon une première variante,

- la figure 15 représente en vue schématique en perspective d'un mode de réalisation d'un réseau d'éléments rayonnants plans à polarisation verticale dans lequel des éléments perturbateurs sont placés entre les rangées d'éléments rayonnants selon une deuxième variante.

Sur les figures 1 a à 1 c est représenté un mode de réalisation d'un alignement d'éléments rayonnants 1 plan à polarisation verticale. L'élément rayonnant 1 comprend un dipôle 2 demi-onde, composé de deux demi-dipôles séparés par une fente 3 comportant chacun un pied 4 supportant un bras 5. Les deux bras 5 du dipôle 2 définissent une ligne rayonnante. Afin d'augmenter le gain et la largeur de bande, cette ligne rayonnante est surmontée d'une autre ligne rayonnante formée par un élément parasite 6 ou "directeur", qui n'est pas électriquement connecté avec le dipôle 2. Le dipôle 2 est alimenté par une ligne conductrice 7 relié à un symétriseur ("balun" en anglais) non représenté. Le dipôle 2 de type microruban ("stripline" en anglais) et l'élément parasite 6 sont imprimés sur l'une des faces (fig.i b) d'un substrat 8 à faible constante diélectrique ε _r (1 < ε _r < 5), comme par exemple une plaque de verre et téflon de référence "TLX-08" de la société " TACONIC ". La ligne conductrice 7 est imprimée sur la face opposée (fig.i c) du support diélectrique 8.

Sur les figures 2a et 2b, on a représenté une partie d'une antenne 20 comprenant une rangée de douze éléments rayonnants 21 du type de ceux représentés sur les figures 1a-1c. Les éléments rayonnants 21 sont imprimés sur un substrat 22 formant un circuit imprimé (PCB) 23. Le circuit imprimé 23 est fixé sur un réflecteur 24, formant plan de masse ("ground plane" en anglais), en forme d'un U et de surface réduite. Dans le cas présent la distance entre les rebords latéraux 25, formant parois du réflecteur, est par exemple de 0,5λ ₀ , où λ ₀ est la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement de l'antenne, pour une antenne 20 très compacte. Une représentation agrandie d'un élément rayonnant 21 est donné sur la figure 2b. Chaque élément rayonnant 21 comprend un dipôle 26 dont les bras 27, dans le prolongement l'un de l'autre, ont une longueur totale L ₁ . Les bras 27 du dipôle 26, d'envergure L ₁ , sont surmontés d'un élément parasite 28 de longueur L ₂ inférieure à la longueur L ₁ . Le rapport R des longueurs L ₂ ZL ₁ vaut ici par exemple 0,65. La distance D entre le dipôle 26 et l'élément parasite 28 est comprise entre 0,07 et 0,1 1 de la longueur d'onde guidée λ _r telle que λ _r = λ _o /V ^~ ε _r où ε _r est la constante diélectrique du substrat utilisé et λ ₀ est la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement de l'antenne. Dans le cas présent la combinaison d'un dipôle 26 et d'un élément parasite 28 permet d'obtenir des performances radiofréquences améliorées, en particulier la largeur de la bande passante.

Le facteur de réflexion I en décibels est représenté par la courbe 30 sur la figure 3 en fonction de l'impédance F en ohms. Dans la bande de fréquence 3,3-3,8GHz des applications WIMAX (14% de la largeur de bande de fréquence), l'antenne doit fonctionner avec un rapport d'onde stationnaire ROS de 1 ,37, ce qui correspond à la droite de référence 31 en trait plein. Le fonctionnement de l'antenne dans la gamme de fréquence considéré est satisfaisant car la courbe 30 se situe entièrement en dessous de la droite de référence 31 , et plus particulièrement dans la zone de fréquence 3,51-3,69GHz.

Sur la figure 4, le diagramme de rayonnement radiofréquence vertical (courbe 40 en trait plein) montre l'intensité du rayonnement R dans le plan vertical en dBi en fonction de l'angle A de rayonnement en degré. Une largeur de faisceau, à mi-puissance (R = -3dBi) en polarisation principale, de 6 degrés est atteinte dans le plan vertical. En polarisation croisée, la courbe 41 (en pointillés) est à un niveau très faible, à un niveau inférieur d'environ 33dB de ce que l'on observe en polarisation principale.

Le diagramme de rayonnement radiofréquence horizontal (courbe 50 en trait plein) est représenté sur la figure 5. L'intensité du rayonnement R dans le plan horizontal en dBi est donnée en fonction de l'angle A de rayonnement en degré. Malgré la faible surface du plan de masse 24 de l'antenne 20, la largeur du faisceau est proche de 90° dans le plan horizontal. En polarisation croisée, la courbe 51 (en pointillés) est à un niveau très faible, à un niveau inférieur d'environ 33dB de ce que l'on observe en polarisation principale.

Sur la figure 6, on a représenté un autre mode de réalisation d'un alignement d'éléments rayonnants 60 à polarisation verticale. L'élément rayonnant 60 comprend un dipôle 61 demi-onde, composé de deux demi-dipôles séparés comportant chacun un pied 62 supportant un bras 63, alimenté par une ligne conductrice 64. Les deux bras 63 des dipôles 61 définissent une ligne rayonnante. Afin d'augmenter le gain et la largeur de bande, cette ligne rayonnante est surmontée de deux autres lignes rayonnantes formée respectivement par un élément parasite 65 inférieur et par un élément parasite 66 supérieur. Les éléments parasites 65, 66 superposés ne sont pas électriquement reliés entre eux, et ne sont pas non plus connecté au dipôle 61. L'élément rayonnant 60 est imprimé sur un support 67 qui est un substrat diélectrique.

Les figures 7a à 7h donnent des exemples de formes que peut prendre un élément rayonnant large bande, comportant un dipôle surmonté d'un élément parasite, imprimé sur un support diélectrique. On a représenté pour chaque exemple un dipôle surmonté d'un seul élément parasite. Il est bien entendu que ces formes sont également valables pour des éléments rayonnants comprenant deux éléments parasites ou plus.

Les figures 7a et 7b montrent un élément rayonnant 70 dont les dipôles ont une forme évasée, connue sous l'appellation "nœud papillon" ("bow tie" en anglais) ; sur la figure 7b, l'élément parasite 71 adopte également cette forme.

Les figures 7c et 7d montrent un élément rayonnant 72 dont les dipôles ont une forme renflée aux extrémités, connue sous l'appellation "os de chien" ("dogbone" en anglais) ; sur la figure 7d, l'élément parasite 73 adopte également cette forme.

Les figures 7e et 7f montrent un élément rayonnant 74 dont les dipôles ont une forme courbe, connue sous l'appellation "ailes" ("wings" en anglais) ; sur la figure 7f, l'élément parasite 75 adopte également cette forme. Les figures 7g et 7h montrent des éléments rayonnants 76, 77 ayant des dipôles dont le pied est séparé en deux parties par une fente 78, 79 en biseau qui est dans un sens inversé respectivement sur les deux figures. Ce type de fente en biseau

("tapered slot" en anglais) est dit multi-sections car les fentes 78, 79 sont formées de plusieurs sections de largeur différentes.

La technique d'impression sur un support permet aussi de réaliser des éléments rayonnants 80, 81 à partir d'un motif fractal comme illustré sur la figure 8, afin d'améliorer la largeur de bande et le comportement multifréquence. Par exemple, l'élément parasite 82 de l'élément rayonnant 80 reprend un motif fractal. L'élément parasite 83 de l'élément rayonnant 81 reprend un motif fractal et les deux bras 84 reprennent également un motif fractal par exemple. Il devient possible d'obtenir de manière simple toute sorte de forme pour des éléments rayonnants en deux dimensions. L'utilisation d'un motif fractal est particulièrement avantageux dans le cas des applications types large bande ou multibande.

La figure 9 représente schématiquement un élément rayonnant 90 imprimé sur un support 91 composé de deux plans orthogonaux 92, 93. L'élément rayonnant 90 comprend deux dipôles 94, 95 croisés à polarisation orthogonale ± 45°. L'intersection Odes dipôles 94, 95 au niveau de leur fente respective coïncide avec l'intersection des plans 92, 93 du support 91. Les dipôles 94, 95 sont surmontés chacun d'un élément parasite 96, 97.

Un dipôle 94, 95 comporte un pied 98 et un bras 99 conducteurs colinéaires imprimés sur une face 92a, 93a d'un plan 92, 93 du support 91. Le dipôle 94, 95 est alimenté par une ligne conductrice 100 imprimée sur la face 92b, 93b opposée du plan 92.

L'élément rayonnant 90 implanté sur le réflecteur 99 d'une antenne est représenté en perspective sur la figure 10. On peut ainsi obtenir de manière simple toute sorte de forme pour des éléments rayonnants en trois dimensions.

La figure 1 1 représente un réseau d'éléments rayonnants à polarisation croisée. Chaque élément rayonnant 110 comprend deux dipôles 111 , deux éléments parasites 112 et deux lignes conductrices pour l'alimentation des dipôles (non visibles). Chaque plan orthogonal 113, 114 du support est prolongé de manière à servir de support pour l'impression de l'élément rayonnant adjacent. Les dipôles 111 comportent des bras 115 réalisés en utilisant un motif fractal. L'élément parasite 112 placé au- dessus des dipôles 111 est aussi réalisé à partir d'un motif fractal. On peut ainsi obtenir de manière simple et flexible toute sorte de configurations associant des éléments rayonnants supportés en trois dimensions. Un tel montage présente l'avantage d'une bonne tenue mécanique grâce à l'emboîtement des plans les uns dans les autres.

Une configuration particulièrement avantageuse pour réduire la largeur de faisceau dans le plan horizontal est représentée sur la figure 12. Des éléments parasites supplémentaires 120 sont ajoutés dans un plan horizontal 121 placé au-dessus des plans 122, 123 orthogonaux du support, parallèlement aux bras des dipôles. Les dipôles 124 surmontés d'un élément parasite 125 sont imprimés sur les plans 123 parallèles du support pour former des rangées de dipôles 124 parallèles. En particulier, on notera la présence des éléments parasites supplémentaires 120 de part et d'autre du plan vertical 123 portant les éléments parasites 125 surmontant la ligne rayonnante formée par les dipôles 124. Le plan horizontal 121 peut être notamment une pièce en matière plastique fixée sur le support 122, 123, et sur laquelle les éléments parasites supplémentaires 120 ont été imprimés. Bien entendu des éléments parasites supplémentaires 120, ou directeurs, peuvent adopter toutes les formes précédemment évoquées. L'ajout du plan horizontal 121 présente en outre l'avantage de rigidifier le réseau d'éléments rayonnants et de contribuer à la tenue mécanique de l'antenne.

La figure 13 montre une forme particulière de réalisation d'éléments parasites supplémentaires 130 dans le cas d'éléments rayonnants à polarisation croisée ±45°. Les éléments parasites 130 sont ici en forme de croix potencée, et disposés sur un plan horizontal 131 au-dessus de l'intersection des plans orthogonaux 132, 133 du support diélectrique sur lequel sont imprimés les dipôles 134 surmontés d'un élément parasite 135. Les axes principaux 136,137 de la croix potencée coïncident respectivement avec les plans orthogonaux 132, 133 du support diélectrique.

Cette technique d'impression sur un support diélectrique permet de réaliser des antennes multibandes comportant des éléments rayonnants 140 alignés en rangées parallèles. Dans l'exemple de la figure 14, les éléments rayonnants 140 sont imprimés sur des plans 141 parallèles du support formant rangées. Les plans 142 formant colonnes, perpendiculaires aux plans 141 , portent des éléments perturbateurs 143 qui ont pour fonction de minimiser le couplage entre les rangées parallèles d'éléments rayonnants en introduisant des perturbations dans le champ électromagnétique. Les éléments perturbateurs 143 sont métalliques et ils sont intercalés dans le support diélectrique formant les colonnes dans le plan 142. Cette configuration est particulièrement avantageuse pour les systèmes requérant une isolation élevée entre les rangées d'éléments, tel qu'une application MIMO.

Selon une variante représentée sur la figure 15, des éléments perturbateurs 150, ici en forme de croix, peuvent être imprimés sur un plan horizontal 151 portant également des éléments parasites 152. Le plan horizontal 151 est disposé au-dessus de l'intersection des plans 153 formant colonnes et des plans 154 orthogonaux formant rangées d'éléments rayonnants imprimés sur le support diélectrique, c'est-à-dire les dipôles 155 surmontés d'un élément parasite 156.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. En particulier, on pourra sans sortir du cadre de l'invention modifier la forme de l'élément rayonnant, ou celle des dipôles et/ou de l'élément parasite. On pourra aussi utiliser un support diélectrique de nature et de forme différente. Enfin, on pourra enfin envisager tout procédé d'impression compatible avec un fonctionnement radiofréquence.