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EP2430705A1 - Antenne multifaisceaux compacte - Google Patents

Antenne multifaisceaux compacte

Info

Publication number
EP2430705A1
EP2430705A1 EP10721757A EP10721757A EP2430705A1 EP 2430705 A1 EP2430705 A1 EP 2430705A1 EP 10721757 A EP10721757 A EP 10721757A EP 10721757 A EP10721757 A EP 10721757A EP 2430705 A1 EP2430705 A1 EP 2430705A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna
frequency
sets
elements
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP10721757A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP2430705B1 (fr
Inventor
Eduardo Motta Cruz
Xavier Sammut
Maxime Tiague Leuyou
Vincent Rabussier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bouygues Telecom SA
Original Assignee
Bouygues Telecom SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bouygues Telecom SA filed Critical Bouygues Telecom SA
Publication of EP2430705A1 publication Critical patent/EP2430705A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2430705B1 publication Critical patent/EP2430705B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H01Q1/241—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM
    • H01Q1/246—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for base stations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/24—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching

Definitions

  • the invention relates to the field of single-frequency or multi-frequency multibeam antennas intended to transmit / receive a radio frequency signal in a plurality of directions.
  • Obtaining one or more directional antenna beams is to the detriment of the size of the antenna. Indeed, the more the antenna must be directive (that is to say that it is desired to have an antenna that can radiate in a preferred direction or several directions and must have several independent beams) plus its radiating surface must be important.
  • Figure 1 illustrates a multi-beam antenna of known type. This antenna, consisting of three panels Pi, P 2 , P 3 , can operate in three directional beams.
  • This antenna - see FIG. 2 - comprises a ground plane P and a dielectric substrate 1 1 having a dielectric constant ⁇ ⁇ .
  • the substrate 1 1 is disposed on the plane P of mass.
  • the antenna further comprises a plurality of sets Ej of antenna elements, these antenna elements Sy are arranged on the substrate 1 1 (i corresponds to the number of the set and j to the number of the element d antenna in the set i).
  • the antenna elements Sy are adapted to transmit / receive a radiofrequency signal in a given direction so that each set Ej is associated with a direction of the antenna.
  • the antenna is considered to transmit / receive the signal in one or more frequency bands in different directions defined by each panel.
  • FIG. 2 schematically illustrates an assembly Ej of antenna elements SN.
  • the elements Sy are fed according to a law of distribution (ay, ⁇ y), ay being the amplitude of the signal emitted or received and ⁇ y its phase.
  • This law is applied to each group of sets i (formed of antenna elements j) of the same panel in order to form a coherent radiation pattern and favoring a given direction Ai, A 2 , A 3 , normally a given azimuth in the horizontal plane.
  • the elements Ej are fed in series or in tree structure.
  • FIGS. 3a and 3b respectively show a view from above and a profile view of the ground plane P with the substrate 1 1 and an antenna element S M used in known type antennas.
  • the sets corresponding to the same direction are arranged in several columns, typically up to four columns.
  • the columns are also arranged side by side.
  • a problem is that such an arrangement is cumbersome in particular in view of having more and more directional antennas, that is to say, can radiate in several directions. Indeed, it would be necessary to add columns.
  • the invention makes it possible to have a multibeam antenna of reduced size compared with known antenna solutions of the same type.
  • the invention relates to a multibeam antenna for transmitting / receiving a radiofrequency signal in a plurality of directions in at least one frequency band, the antenna comprising: a ground plane; a dielectric substrate having a permittivity, the substrate being disposed on the ground plane; a plurality of sets of antenna elements disposed on the substrate, each set corresponding to a direction of the antenna.
  • the antenna according to the invention is characterized in that it further comprises a dielectric superstrate, having a permittivity greater than the permittivity of the substrate, arranged on the sets of antenna elements, and in that the assemblies are interwoven one below the other so as to form a column, the sets corresponding to the same direction of the antenna being separated by a set number equal to the number of directions of the antenna.
  • the antenna according to the invention may also have one or more of the following characteristics: the antenna elements of the same set are spaced apart by a distance less than a wavelength ⁇ , the length of corresponding wave ⁇ in the single-frequency case at the frequency at which the antenna is to operate and in the multifrequency case at the center frequency defined by (f ma ⁇ -f m i n ) / 2 where Uax is the maximum frequency at which the antenna antenna must operate and f min is the minimum frequency at which the antenna must operate;
  • the antenna elements belonging to different sets are spaced apart by a distance less than ⁇ / n, where ⁇ corresponds to: in the single-frequency case, to the frequency at which the antenna must operate; in the multifrequency case, at the central frequency defined by (f ma ⁇ -fmin) / 2 where f max is the maximum frequency at which the antenna must operate and Wi is the minimum frequency at which the antenna must operate; and where n is the number of different sets (Ei);
  • each set comprises an identical number of antenna elements;
  • the antenna elements are square patches, in the shape of an equilateral triangle or ellipsoidal shape;
  • Antenna elements are orthogonal dual polarization patches with two independent accesses to achieve polarization diversity.
  • the antenna according to the invention is single frequency or multifrequency and in each frequency band can have several beam directions.
  • the invention relates to a cellular communication network comprising an antenna the first aspect of the invention.
  • FIG. 4 illustrates a multibeam antenna according to the invention
  • FIGS. 5a and 5b respectively show a view from above and a profile view of the ground plane with a dielectric substrate and superstrate and an antenna element of the antenna of the invention
  • FIGS. 6a and 6b respectively illustrate a square patch and an equilateral triangle-shaped patch implemented in the antenna of the invention
  • FIG. 7 illustrates a single-frequency three-beam antenna according to the invention
  • FIG. 8 illustrates an arrangement of the antenna elements in a set for a two-frequency antenna according to the invention
  • FIG. 9 illustrates the variation of the coupling between two sets of antenna elements as a function of the difference between the elements for the elements of an antenna of known type and for smaller elements, implemented in an antenna. of the invention having identical radiation characteristics
  • FIG. 10 illustrates the performances in terms of isotropic gain of the antenna elements of an antenna of known type and for an antenna with smaller elements implemented in an antenna of the invention, having characteristics of identical radiation.
  • FIGS. 11a and 11b illustrate the size reduction of a dipole into a monopole used in the antenna of the invention
  • FIG. 12 illustrates a profile view of the ground plane with a dielectric substrate and superstrate and an antenna element of the antenna of the invention to explain the dimensions of the antenna element.
  • FIG. 4 illustrates a multibeam antenna having a small footprint compared to multibeam antennas of known type (see antenna of FIG. 1).
  • FIGS 5a and 5b illustrate, respectively, a top view and a side view of the ground plane P with the substrate 1 1, the superstrate 12 and an antenna element S M.
  • This antenna comprises a ground plane P, a dielectric substrate 1 1 having a dielectric constant ⁇ x disposed on the ground plane P and a plurality of sets Ej of antenna elements Sy disposed on the substrate 1 1. mentioned, each set Ej corresponds to a direction of the antenna.
  • the sets Ej of antenna elements Sy are interlaced below each other so as to form a column and the sets Ej which correspond to the same direction of the antenna are separated an ensemble number equal to the number of direction of the antenna.
  • the same antenna direction is found on the column of set of antenna elements periodically, the period being equal to the number of direction of the antenna.
  • Such interleaving can generate a coupling between antenna elements that are closer than in antennas of known type.
  • the size of the antenna elements is reduced.
  • the antenna comprises a dielectric superstrate 12 having a permittivity ⁇ 2 greater than the permittivity ⁇ x of the substrate 1 1 dielectric.
  • this superstrate 12 makes it possible to maintain radiation characteristics identical to a larger antenna element.
  • a resistor R is connected between the ground plane P and each antenna element Sy.
  • the resistance R is typically equal to one Ohm.
  • This resistor R serves to short-circuit one of the radiating sides of the antenna element.
  • This short-circuit serves to transform the radiating element of size ⁇ / 2, consisting of two monopolies, each of size ⁇ / 4 on each side of the dipole, into a single monopole of size ⁇ / 4 and consequently allows to divide by two the electrical dimensions of the radiating element (see Figure 1 1).
  • This resistor R also makes it possible to substantially increase the bandwidth of the antenna in its resonant behavior.
  • the sets Ej which correspond to the same antenna direction are connected together in series.
  • the antenna elements belonging to different sets are spaced apart by a distance less than ⁇ / n, where ⁇ corresponds to: - in the single-frequency case, to the frequency at which the antenna must operate;
  • n the number of different sets (Ej). Typically we will take a spacing of less than 0.9 ⁇ / n.
  • the antenna elements of the same set are spaced apart by a distance less than ⁇ .
  • FIG. 7 shows a three-beam antenna A, B, C single frequency.
  • the antenna elements Sy are connected to each other.
  • all the sets Ei are connected to obtain a first beam A
  • all the sets E 2 are connected to obtain a second beam B
  • all the sets E 3 are connected to obtain a third beam C.
  • the antenna elements the same set are separated by a distance of 0.5 ⁇ and the antenna elements of different sets are separated by a distance of 0.3 ⁇ (there are three different beams).
  • the use of several beams uses independent and physically similar antennas with radiation patterns with different azimuths in the horizontal plane.
  • This approach results in an increase in the overall surface of the antennal solution, comprising a plurality of specific antennas.
  • FIG. 8 illustrates the arrangement of the antenna elements Sy in a set Ei for a two-frequency antenna.
  • the number of antenna elements Sy is doubled with respect to a single-frequency antenna (see FIG. 7).
  • This approach results in an increase in the overall surface of the antennal solution, comprising a plurality of specific antennas.
  • a ⁇ e 1 + ⁇ 2 where ⁇ x is the dielectric constant of the substrate and ⁇ 2 is the dielectric constant of the superstrate, A 0 is the wavelength in the vacuum ⁇ is the partial contribution of the dielectric ⁇ 2 in the radiation of the cavity of the radiating element.
  • This radiation takes place in effective dimensions taking into account the physical dimension d of the element and an overflow of the fields which extends over a distance approximately the value of the thickness hi of the substrate (see FIG. 12).
  • ⁇ is
  • Figures 6a and 6b respectively show a square patch and an equilateral triangle shaped patch, each side is of dimension d (see above).
  • FIG. 9 illustrates the coupling between two sets of antenna elements as a function of the difference between the elements for the elements of the antenna of known type (curve 20) and for the smaller elements (curve 30) having identical radiation characteristics. To ensure proper operation between different systems, it is sought to obtain a coupling between different antennas less than -30 dB.
  • the two antennas of known type have a coupling between them of about -10 dB whereas with the same spacing, the two antennas with the smaller antenna elements have a coupling less than -50 dB between them.
  • FIG. 10 illustrates the performances in terms of isotropic gain of the antenna elements of the antenna of known type (curve 40) and for the antenna with smaller elements (curve 50).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

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 (P) de masse; un substrat (11) diélectrique, ayant une permittivité (ε 1), le substrat (11) étant disposé sur le plan (P) de masse; une pluralité d'ensemble (Ei) d'éléments d'antennes disposés sur le substrat (11), chaque ensemble (Ei) correspondant à une direction de l'antenne. L'antenne de l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un superstrat (12) diélectrique, ayant une permittivité (ε 2) supérieure à la permittivité (ε 1) du substrat (11), disposé sur les ensembles (Ei) d'éléments d'antennes, et en ce que les ensembles (Ei) sont entrelacés les uns en dessous des autres de manière à former une colonne, les ensembles (Ei) correspondant à une même direction de l'antenne étant séparés d'un nombre d'ensemble égal au nombre de directions de l'antenne.

Description

ANTENNE MULTIFAISCEAUX COMPACTE
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
L'invention concerne le domaine des antennes multifaisceaux monofréquence ou multifréquences destinées à émettre/recevoir un signal radiofréquence selon une pluralité de directions.
ETAT DE LA TECHNIQUE
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 P-i, P2, P3, peut fonctionner selon trois faisceaux directifs.
Cette antenne - voir figure 2 - comprend un plan P de masse et un substrat 1 1 diélectrique, ayant une constante εγ diélectrique. Le substrat 1 1 est disposé sur le plan P de masse. L'antenne comprend en outre une pluralité d'ensemble Ej d'éléments d'antennes, ces éléments d'antennes Sy sont disposés sur le substrat 1 1 (i correspond au numéro de l'ensemble et j au numéro de l'élément d'antenne dans l'ensemble i).
Les éléments d'antennes Sy sont adaptés à émettre/recevoir un signal radiofréquence selon une direction donnée de sorte que chaque ensemble Ej 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 Ej d'éléments d'antennes SN. Les éléments Sy sont alimentés selon une loi de distribution (ay, Φy), ay étant l'amplitude du signal émis ou reçu et Φy 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 A-i, A2, A3, normalement un azimut donné dans le plan horizontal. Dans sa forme la plus simple, les éléments Ej 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 1 1 et un élément d'antenne SM 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.
PRESENTATION DE L'INVENTION
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.
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 (fmaχ-fmin)/2 où Uax est la fréquence maximale à laquelle l'antenne doit fonctionner et fmin 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 (fmaχ-fmin)/2 où fmax est la fréquence maximale à laquelle l'antenne doit fonctionner et Wi est la fréquence minimale à laquelle l'antenne doit fonctionner ; et où n est le nombre d'ensembles différents (Ei) ;
• 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 — ° où S1 est la permittivité du substrat et ^2 est
la permittivité du superstrat, A0 est la longueur d'onde correspondant à la fréquence associée à l'élément d'antenne, la valeur δ est approximativement égale à : δ = h-i / (h-i + 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.
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 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 œuvre 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 œuvre 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 œuvre dans une antenne de l'invention, ayant des caractéristiques de rayonnement identique ; - les figures 1 1 a et 1 1 b 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.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Structure de l'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 1 1 , le superstrat 12 et un élément d'antenne SM . Cette antenne comprend un plan P de masse, un substrat 1 1 diélectrique ayant une constante εx diélectrique disposé sur le plan P de masse et une pluralité d'ensembles Ej d'éléments d'antennes Sy disposés sur le substrat 1 1. Comme déjà mentionné, chaque ensemble Ej correspond à une direction de l'antenne.
Pour réduire l'encombrement de l'antenne, les ensembles Ej d'éléments d'antennes Sy sont entrelacés les uns en dessous des autres de manière à former une colonne et les ensembles Ej qui correspondent à une même direction de l'antenne sont séparés d'un nombre d'ensemble égal au nombre de direction de l'antenne.
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 εx du substrat 1 1 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 Sy 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 1 1 ).
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 Ej 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 (fmaχ-fmin)/2 où fmaχ est la fréquence maximale à laquelle l'antenne doit fonctionner et fmin est la fréquence minimale à laquelle l'antenne doit fonctionner ; et où
• n le nombre d'ensembles différents (Ej). 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. Cas monofréαuence
On a illustré sur la figure 7 une antenne à trois faisceaux A, B, C monofréquence. Sur cette figure, dans chaque ensemble E-i, E2, E3 les éléments d'antennes Sy sont connectés entre eux. En outre, tous les ensembles Ei 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.
Cas multifréαuences
On a illustré sur la figure 8 l'arrangement des éléments d'antennes Sy dans un ensemble Ei pour une antenne bifréquences. Le nombre d'éléments d'antennes Sy 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.
Eléments d'antennes Si|
Les éléments d'antennes Sy sont de préférence des patchs carrés ou en forme de triangle équilatéral de côté de dimension d : d = -
A^e1 + δε2 où εx est la constante diélectrique du substrat et ε2 est la constante diélectrique du superstrat, A0 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 hi du substrat (voir figure 12). On note que la valeur δ est
approximativement égale à : δ = K h + d
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 Sy, l'entrelacement des ensembles Ei 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).
Performances 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 -5OdB 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).

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne multifaisceaux destinée à émettre/recevoir un signal radiofréquence selon une pluralité de directions dans au moins une bande de fréquences, l'antenne comprenant
- un plan (P) de masse ;
- un substrat (1 1 ) diélectrique, ayant une permittivité (^1), le substrat (1 1 ) étant disposé sur le plan (P) de masse ;
- une pluralité d'ensembles (Ej) d'éléments d'antennes disposés sur le substrat (1 1 ), chaque ensemble (Ei) correspondant à une direction de l'antenne ; caractérisée en ce que l'antenne comprend en outre un superstrat (12) diélectrique, ayant une permittivité (ε2 ) supérieure à la permittivité (^1) du substrat (1 1 ), disposé sur les ensembles (Ej) d'éléments d'antennes, et en ce que les ensembles (Ei) sont entrelacés les uns en dessous des autres de manière à former une colonne, les ensembles (Ej) correspondant à une même direction de l'antenne étant séparés d'un nombre d'ensemble égal au nombre de directions de l'antenne.
2. Antenne selon la revendication 1 dans laquelle 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 (fmaχ-fmin)/2 où fmax est la fréquence maximale à laquelle l'antenne doit fonctionner et Wi est la fréquence minimale à laquelle l'antenne doit fonctionner.
3. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle 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, la fréquence à laquelle l'antenne doit fonctionner ;
• dans le cas multifréquences, la fréquence centrale définie par (fmaχ-fmin)/2 où fmax est la fréquence maximale à laquelle l'antenne doit fonctionner et Wi est la fréquence minimale à laquelle l'antenne doit fonctionner ; et où
• n est le nombre d'ensembles différents (Ej).
4. Antenne selon l'une des revendications précédentes comprenant pour chaque direction de l'antenne un nombre identique d'ensembles d'éléments d'antennes.
5. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle les ensembles correspondant à une même direction de l'antenne sont connectés en série ou en arborescence.
6. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle chaque ensemble comprend un nombre identique d'éléments d'antennes.
7. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle les éléments d'antennes sont des patchs carrés, en forme de triangle équilatéral ou en forme ellipsoïdale.
8. Antenne selon la revendication précédente dans laquelle chaque
A côté de chaque élément d'antenne est de dimension égale à — . ° où
4^f1 + δε2 εx est la permittivité du substrat et ^2 est la permittivité du superstrat, A0 est la longueur d'onde correspondant à la fréquence associée à l'élément d'antenne, la valeur δ est approximativement égale à : δ = h-, / (h-, + d).
9. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle les éléments d'antennes sont des patchs à double polarisation orthogonale disposant de deux accès indépendants permettant de réaliser la diversité de polarisation.
10. Réseau de communication cellulaire comprenant une antenne selon l'une des revendications précédentes.
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