EP1551078A1 - Omnidirectional antenna with steerable diagram - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne une antenne configurable, destinée à émettre ou capter au moins un faisceau de rayonnement électromagnétique dans une direction et une largeur angulaire ajustables.The present invention relates to a configurable antenna for emit or pick up at least one beam of electromagnetic radiation in an adjustable direction and angular width.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la téléphonie mobile (bandes GSM (Global System for Mobile Communication), DCS (Digital Cellular System), UMTS (Universal Mobile Communication System)), ainsi que dans celui de la diffusion de services haut-débit du type WLAN (Wireless Local Area Network), WIFI, LMDS (Local Multi-point Distribution System) et même UWB (Ultra Wide Band).The invention finds a particularly advantageous application in the field of mobile telephony (GSM bands (Global System for Mobile Communication), DCS (Digital Cellular System), UMTS (Universal Mobile Communication System)), as well as in the field of the diffusion of services broadband type wireless local area network (WLAN), WIFI, LMDS (Local Multi-point Distribution System) and even UWB (Ultra Wide Band).
Le développement des systèmes de télécommunication répondant aux problèmes de la communication en situation de mobilité a amené les opérateurs et les industriels à développer et utiliser des stations de base de plus en plus complexes. A l'heure actuelle, suite aux contraintes liées au nombre de sites en exploitation, il est de plus en plus difficile d'installer indéfiniment de nouvelles antennes. Il devient donc nécessaire de faire appel à des antennes large bande susceptibles de remplacer plusieurs antennes mono-bande ou de mettre en oeuvre la même antenne pour couvrir plusieurs zones distinctes.The development of telecommunication systems responding to problems of communication in a situation of mobility has led operators and manufacturers to develop and use base stations more and more complex. At present, following the constraints number of sites in operation, it is increasingly difficult to install indefinitely new antennas. It therefore becomes necessary to appeal broadband antennas that can replace multiple antennas single-band or to implement the same antenna to cover several separate areas.
En matière de téléphonie mobile, la couverture par cellules peut être obtenue à partir d'antennes mono/multi-faisceaux dont les zones de rayonnement sont rendues ajustables en direction et en largeur angulaire grâce à l'utilisation d'éléments actifs qui commandent l'alimentation d'antennes réseaux planaires ou antennes réflecteurs à réseau focal pour des angles de visée de ± 30 à 40°, ou placées sur une surface cylindrique pour avoir la possibilité de pointer un ou plusieurs faisceaux sur 360°. La complexité du réseau d'alimentation est directement liée aux possibilités et à l'agilité de l'antenne. Cette complexité s'accroít encore plus rapidement avec la formation de faisceaux multiples indépendants. La gestion de l'ensemble des faisceaux doit se faire au travers d'éléments actifs radio-fréquence du type amplificateur, déphaseur, ligne à retard qui travaillent dans les bandes de fréquence de l'antenne. L'utilisation de tels éléments augmente de façon drastique le coût de l'antenne ou limite les possibilités de celle-ci si l'on veut obtenir un prix raisonnable (utilisation en bande étroite,...). De plus, les pertes liées à l'alimentation de ces antennes-réseaux imprimées actives ne sont pas négligeables et peuvent limiter les performances intrinsèques.In mobile telephony, cell coverage can be obtained from mono / multi-beam antennas whose areas of radiation are made adjustable in direction and in angular width through the use of active elements that control the diet planar array antennas or focal network reflector antennas for angles of sight of ± 30 to 40 °, or placed on a cylindrical surface for have the ability to point one or more beams in 360 °. The The complexity of the supply network is directly related to the possibilities and the agility of the antenna. This complexity is growing even faster with the formation of independent multiple beams. The management of the whole beams must be through radio frequency active elements of the amplifier type, phase shifter, delay line working in bands frequency of the antenna. The use of such elements increases drastically the cost of the antenna or limits the possibilities of it if you want to obtain a reasonable price (use in narrow band, ...). In addition, the losses related to the power of these antennas-active printed networks are not negligible and may limit intrinsic performance.
Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer une antenne configurable, destinée à émettre ou capter au moins un faisceau de rayonnement électromagnétique dans une direction et une largeur angulaire ajustables, qui permettrait d'éliminer les limitations des systèmes d'antennes connus mentionnées plus haut en évitant notamment l'emploi de composants radio-fréquence.Also, the technical problem to be solved by the object of this The invention is to propose a configurable antenna intended to transmit or to capture at least one beam of electromagnetic radiation in a direction and an adjustable angular width, which would eliminate the limitations of known antenna systems mentioned above by avoiding especially the use of radio-frequency components.
La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ladite antenne configurable comprend également, associés à ladite antenne omnidirectionnelle, des éléments réflecteurs discrets de réflectivité commandable, disposés sur au moins un cercle centré autour de l'axe z donné.The solution to the technical problem consists, according to the present in that said configurable antenna also comprises associated with said omnidirectional antenna, reflective elements discrete reflectivity controllable, arranged on at least one centered circle around the given z axis.
Avantageusement, la réflectivité desdits éléments réflecteurs discrets est commandée par une tension de courant continu.Advantageously, the reflectivity of said discrete reflector elements is controlled by a DC voltage.
Ainsi, l'antenne configurable conforme à l'invention utilise la modification du rayonnement électromagnétique d'une antenne omnidirectionnelle, large bande ou multi-bande, par un système de déflecteurs pilotés par simple tension continue, contrairement aux antennes actives classiques où l'on pilote le rayonnement par des composants radio-fréquence. En d'autres termes, l'association d'une antenne du type omnidirectionnel à un système d'éléments réflecteurs discrets transforme, selon l'invention, la couverture omnidirectionnelle de l'antenne en une couverture mono/multi-faisceaux de largeurs variables.Thus, the configurable antenna according to the invention uses the modification of the electromagnetic radiation of an omnidirectional antenna, broadband or multi-band, by a system of deflectors controlled by simple direct voltage, unlike active antennas where radiation is controlled by radio frequency components. In other words, the combination of an omnidirectional type antenna with a system of discrete reflector elements transforms, according to the invention, the omnidirectional coverage of the antenna in a single / multi-beam coverage of varying widths.
On comprend qu'en fonction de la couverture souhaitée, l'antenne de l'invention peut être configurée pour obtenir un faisceau de rayonnement dans une cellule de taille plus ou moins grande ou pour illuminer plusieurs cellules dans des secteurs angulaires différents. La couverture peut donc être modifiée sans qu'il soit nécessaire de changer l'antenne ou son positionnement.We understand that depending on the desired coverage, the antenna of the invention can be configured to obtain a beam of radiation in a cell of larger or smaller size or to illuminate several cells in different angular sectors. The cover can be modified without the need to change the antenna or its positioning.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits éléments réflecteurs discrets sont des éléments linéaires constitués, chacun, par des barreaux métalliques discontinus reliés entre eux par des composants de conductivité électrique commandable par une tension continue. Ces éléments ont été développés par l'Institut d'Electronique Fondamentale de l'Université de Paris Sud-Orsay (« Numerical and Experimental Demonstration of an Electronically Controllable PBG in the Frequency Range 0 to 20 Ghz » A. de Lustrac, T. Brillat, F.Gadot and E. Akmansoy, Actes du Congrès Antennas and Propagation 2000, 9-14 april 2000, Davos, Switzerland) dans le but de réaliser un méta-matériau à bandes interdites électromagnétiques basé sur le principe des bandes interdites photoniques, la répartition spatiale des éléments selon un réseau bi-périodique créant l'équivalent d'un « cristal ». L'effet de ce pseudo-cristal sur la propagation des ondes électromagnétiques est modifié par la présence de défauts placés à l'intérieur, ce qui permet d'obtenir pour certaines bandes de fréquence une transmission au travers de ce pseudo-cristal qui, s'il avait été parfait, aurait réfléchi l'ensemble des fréquences.According to a particular embodiment of the invention, said elements Discrete reflectors are linear elements each consisting of discontinuous metal bars interconnected by components of electrical conductivity controllable by a DC voltage. These elements were developed by the Institute of Fundamental Electronics of the University Paris Sud-Orsay ("Numerical and Experimental Demonstration of Electronically Controllable PBG in the Frequency Range 0 to 20 Ghz »A. Lustrac, T. Brillat, F.Gadot and E. Akmansoy, Proceedings of the Congress Antennas and Propagation 2000, 9-14 April 2000, Davos, Switzerland) with the aim of to achieve an electromagnetic band-gap meta-material based on the principle of photonic forbidden bands, the spatial distribution of elements according to a bi-periodic network creating the equivalent of a "crystal". The effect of this pseudo-crystal on the propagation of electromagnetic waves is modified by the presence of faults placed inside, which allows obtain for certain frequency bands a transmission through this pseudo-crystal which, if it had been perfect, would have reflected all the frequencies.
Pour l'application à l'invention, les fréquences de travail se trouvent en-dessous des bandes interdites et le méta-matériau est utilisé comme simple réflecteur métallique commandé.For application to the invention, the working frequencies are below banned bands and the meta-material is used as simple controlled metal reflector.
De manière pratique, l'invention prévoit que lesdits composants de conductivité électrique commandable sont des diodes ou des interrupteurs micro-mécaniques connus sous l'acronyme anglo-saxon MEMS pour « MicroElectroMechanical System », ces deux types de composants étant commandables par une tension continue.In practice, the invention provides that said components of controllable electrical conductivity are diodes or switches micro-mechanics known by the acronym Anglo-Saxon MEMS for "MicroElectroMechanical System", both types of components being controllable by a DC voltage.
Conformément à l'invention, ladite antenne omnidirectionnelle est constituée par une antenne biconique.According to the invention, said omnidirectional antenna is constituted by a biconical antenna.
Les antennes biconiques sont des antennes omnidirectionnelles dont les propriétés et les caractéristiques ont été décrites au chapitre 8 « The Biconical Antenna and its Impedance » de l'ouvrage de J.D. Kraus « Antennas », McGraw-Hill, Electrical and Electronical Engineering Series, 1950.Biconical antennas are omnidirectional antennas properties and characteristics have been described in Chapter 8 "The Biconical Antenna and its Impedance "from J.D. Kraus Antennas, McGraw Hill, Electrical and Electronical Engineering Series, 1950.
Comme on le verra en détail plus loin, il est possible d'accroítre la directivité de l'antenne, objet de l'invention, du fait que ladite antenne omnidirectionnelle est constituée par une pluralité d'antennes biconiques mises en réseau.As will be discussed in detail below, it is possible to increase the directivity of the antenna, object of the invention, because said antenna omnidirectional is constituted by a plurality of biconical antennas networking.
De manière à pouvoir conformer le faisceau de rayonnement en élévation, c'est-à-dire dans le plan passant par l'axe z, notamment pour obtenir un faisceau centré sur une autre direction que 90° par rapport à l'axe z, il est prévu par l'invention que ladite antenne biconique présente des cônes dissymétriques ou que lesdites antennes biconiques sont mises en réseau avec un déphasage variable.In order to be able to conform the beam of radiation into elevation, that is to say in the plane passing through the z axis, especially for to obtain a beam centered on another direction than 90 ° with respect to the axis z, it is provided by the invention that said biconical antenna has cones asymmetrical or that said biconical antennas are networked with a variable phase shift.
Enfin, dans des applications plus spécifiquement dédiées à la téléphonie mobile, il y a avantage à ce que, selon, l'invention, les éléments réflecteurs discrets présentent une réflectivité variable en fonction de la fréquence du rayonnement électromagnétique. Ceci permet par inclusion de défauts dans le méta-matériau constitué par lesdits éléments discrets d'obtenir des faisceaux de rayonnement de couverture différente selon la bande de fréquence : GSM, UMTS,.... De même, l'invention envisage également que l'antenne de l'invention comporte des deuxièmes éléments réflecteurs discrets disposés orthogonalement auxdits éléments réflecteurs discrets. Cette double structure commandable séparément en polarisation horizontale et verticale offre la possibilité de réaliser des polarisations à ± 45°.Finally, in applications more specifically dedicated to mobile telephony, there is advantage that, according to the invention, the elements Discrete reflectors have a variable reflectivity depending on the frequency of electromagnetic radiation. This allows for inclusion of defects in the meta-material constituted by said discrete elements to obtain radiation beams of different coverage according to the frequency band: GSM, UMTS, .... Similarly, the invention envisages also that the antenna of the invention comprises second elements discrete reflectors arranged orthogonally to said reflector elements discreet. This dual structure can be controlled separately in polarization Horizontal and vertical offers the possibility to achieve polarizations at ± 45 °.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.The following description with reference to the accompanying drawings, given in As non-limitative examples, it will make clear what constitutes the invention and how it can be realized.
La figure 1 est une vue en perspective d'une antenne configurable conforme à l'invention.Figure 1 is a perspective view of a configurable antenna according to the invention.
La figure 2 est une vue en coupe selon l'axe z de l'antenne de la figure 1.FIG. 2 is a sectional view along the z axis of the antenna of FIG. 1.
La figure 3a représente un élément réflecteur polarisé.Figure 3a shows a polarized reflective element.
La figure 3b représente l'élément réflecteur de la figure 3a non polarisé. FIG. 3b represents the reflector element of FIG. polarized.
La figure 4a est une vue de dessus d'une répartition d'éléments réflecteurs non polarisés.Figure 4a is a top view of a distribution of elements non-polarized reflectors.
La figure 4b représente la répartition de la figure 4a dans une configuration de polarisation mono-faisceau des éléments réflecteurs.Figure 4b shows the distribution of Figure 4a in a single-beam polarization configuration of the reflector elements.
La figure 4c représente la répartition de la figure 4a dans une configuration de polarisation multi-faisceaux des éléments réflecteurs.Figure 4c shows the distribution of Figure 4a in a multi-beam polarization configuration of the reflector elements.
La figure 5 est une vue en coupe selon l'axe z de deux antennes selon l'invention montées en réseau.FIG. 5 is a sectional view along the z axis of two antennas according to the invention mounted in a network.
Sur les figures 1 et 2 est représentée une antenne configurable 10
comprenant une antenne omnidirectionnelle 11 large bande ou multi-bande
qui, dans l'exemple illustré sur ces figures, est du type biconique.
Conformément au principe général des antennes biconiques exposé dans
l'ouvrage précédemment cité de J.D. Kraus, l'antenne omnidirectionnelle 11
est constituée de deux surfaces 111 et 112 sensiblement coniques disposées
tête-bêche autour d'un axe z commun qui est aussi celui de l'antenne 10.
L'antenne 11 est apte à émettre ou capter un faisceau de rayonnement
électromagnétique de manière omnidirectionnelle, c'est à dire isotrope autour
de l'axe z, lequel constitue un axe de révolution pour l'antenne 11. Dans le
cas où les deux cônes 111 et 112 sont symétriques, comme représenté sur
les figures 1 et 2, le maximum de directivité est obtenu pour une direction D
de rayonnement faisant un angle de 90°avec l'axe z, c'est-à-dire dans le
plan xy.In FIGS. 1 and 2 is shown a
De manière à configurer l'antenne 10 en une antenne mono/multi-faisceaux
à direction et largeur angulaire de faisceau(x) ajustables, l'antenne
omnidirectionnelle 11 est associée à un système d'éléments réflecteurs
discrets 20 de réflectivité commandable, disposés selon au moins un cercle
centré autour de l'axe z. Comme l'indiquent la figure 1 et plus précisément les
figures 4a à 4c, lesdits éléments réflecteurs 20 sont répartis selon quatre
cercles concentriques 31, 32, 33, 34.In order to configure the
Dans l'exemple de réalisation proposé sur les figures 3a et 3b, les
éléments réflecteurs 20 sont des éléments linéaires constitués, chacun, par
des barreaux métalliques discontinus 21 reliés entre eux par des composants
22 de conductivité électrique commandable. Comme on peut le voir sur les
figures 3a et 3b, lesdits composants 22 sont des diodes commandées par une
tension de courant continu. Le système formé par un ensemble régulier
d'éléments linéaires discrets 20 de ce type réalise un méta-matériau, dit à
bandes interdites électromagnétiques, dont les propriétés ont été rappelées
plus haut en référence à la publication de A. de Lustrac et al.In the embodiment shown in FIGS. 3a and 3b, the
Les figures 3a et 3b illustrent la manière dont les éléments linéaires 20
fonctionnent lorsqu'ils sont appliqués à l'antenne configurable 10.Figures 3a and 3b illustrate how the
Sur la figure 3a, les diodes 22 sont polarisées par une tension continue
et, du fait de leur très faible résistance électrique, réalisent l'équivalent d'une
seule barre de longueur plus importante que chaque barreau individuel 21.
Cette barre, référencée alors 20', est un réflecteur du point de vue
électromagnétique. On comprend que la distribution spatiale des éléments
linéaires 20' de barreaux 21 court-circuités forme un réflecteur qui permet de
répartir à volonté le rayonnement dans l'espace.In FIG. 3a, the
Sur la figure 3b, les diodes ne sont pas polarisées et présentent donc
une impédance très élevée. Il n'y a pas de connexion électrique entre les
barreaux et la barre 20" équivalente est transparente pour les ondes
électromagnétiques. De manière pratique, il y a avantage à ce que la
longueur d'un barreau élémentaire 21 reste inférieure au cinquième de la plus
petite longueur d'onde afin de limiter la perturbation de ces barreaux 21.In FIG. 3b, the diodes are not polarized and therefore have
a very high impedance. There is no electrical connection between
bars and the equivalent 20 "bar is transparent to the waves
electromagnetic. In practical terms, it is advantageous for the
length of an
L'avantage de l'utilisation de ce système à éléments réflecteurs
commandés est principalement dû au fait que l'on polarise les diodes avec
une tension continue. Il n'y a donc aucun composant RF complexe type
amplificateur ou déphaseur. Seule la diode 22 doit être choisie de façon à
avoir la plus faible résistance interne aux fréquences envisagées lorsqu'elle
est polarisée, ceci afin d'obtenir un meilleur court-circuit.The advantage of using this reflector system
ordered is mainly due to the fact that the diodes are polarized with
a continuous voltage. So there is no typical RF complex component
amplifier or phase shifter. Only the
Bien entendu, d'autres composants 22 de conductivité électrique
commandable par une tension continue peuvent être envisagés tels que les
commutateurs micromécaniques MEMS mentionnés plus haut.Of course,
Pour l'application à l'invention, le système réflecteur configurable
associé à l'antenne omnidirectionnelle 11 est constitué d'une pluralité de
cercles concentriques d'axe z sur lesquels sont répartis régulièrement les
éléments réflecteurs 20 selon un pas linéaire δ constant. For application to the invention, the configurable reflector system
associated with the
Comme l'indique la figure 4a, la répartition angulaire des éléments 20
est variable en fonction du rayon du cercle considéré afin d'obtenir un pas
linéaire δ constant pour tous les cercles 31, 32, 33, 34.As shown in FIG. 4a, the angular distribution of the
Le nombre de cercles concentriques d'éléments réflecteurs 20 est fixé
afin d'avoir une atténuation suffisante dans la zone en court-circuit puisque la
barre métallique 20' est un élément localisé et que la superposition de
couches concentriques permet de simuler au mieux un cylindre métallique
réflecteur. De même, l'espacement radial entre chaque cercle concentrique
doit être assez faible pour que la répétition des cercles génère une portion
réflectrice cylindriqueThe number of concentric circles of
Il faut ainsi faire un compromis entre le nombre de cercles,
l'espacement entre cercles et l'encombrement total de l'antenne 10 afin
d'obtenir une dimension maximale compatible avec l'application souhaitée.It is thus necessary to make a compromise between the number of circles,
the spacing between circles and the total size of the
Selon que les éléments linéaires 20 sont polarisés ou non, on peut
réaliser la répartition de faisceau de rayonnement électromagnétique voulue,
par exemple une répartition omnidirectionnelle (figure 4a), une répartition
mono-faisceau (figure 4b) de largeur variable ou une répartition multi-faisceaux
(figure 4c) avec une largeur variable pour chaque faisceau.Depending on whether the
Signalons qu'il est possible d'adapter au mieux l'antenne 10 à l'espace
libre en jouant sur la configuration de polarisation des éléments linéaires du
premier cercle concentrique 31. Par exemple, pour obtenir un angle
d'ouverture effective de 60°, il sera nécessaire de laisser les éléments 20" du
premier cercle 31 en circuit ouvert sur un angle plus grand.Note that it is possible to better adapt the
On peut voir sur la figure 2 que chaque élément linéaire 20 traverse les
cônes métalliques supérieur 111 et inférieur 112 sans contact électrique, en
passant à travers des passages isolants 40. Il est alors très facile grâce à
l'alimentation coaxiale de l'antenne biconique 11 d'amener une tension
continue sur le cône supérieur 111 afin de pouvoir polariser indépendamment
chaque élément linéaire 20 par un boítier 50 de commande placé soit sur le
cône supérieur 111, les éléments 20 étant mises à la masse sur le cône
inférieur 112 (figure 2), soit sous le cône inférieur 112, les éléments 20 étant
reliés directement au cône supérieur 111 pour la connexion à la tension
positive. It can be seen in FIG. 2 that each
C'est la nécessité de réaliser la liaison mécanique entre les éléments
linéaires 20 et les cônes de l'antenne biconique 11, ainsi que les passages
isolants 40, qui explique que les surfaces 111 et 112 ne soient pas
rigoureusement coniques mais affectent une forme pseudo-conique adaptée à
cette exigence.It is the need to realize the mechanical connection between the
La mise en réseau verticale d'antennes 10 conformes à l'invention
illustrées sur les figures précédentes offre un grand intérêt pour accroítre la
directivité verticale de la structure rayonnante. Sur la figure 5 est représentée
une antenne configurable 10' constituée par une antenne omnidirectionnelle
11' comprenant deux antennes biconiques 11 a et 11 b. La configuration des
éléments réflecteurs linéaires 20 en court-circuit ou en circuit ouvert est la
même pour l'ensemble des deux antennes biconiques 11a et 11b, afin de
générer la(les) couverture(s) en azimut. L'alimentation des deux demi-antennes
est du type série, et l'espacement entre les deux antennes biconiques
11a et 11b sert à remettre en phase leur alimentation respective
pour obtenir un rayonnement optimal suivant =90°, comme expliqué plus
haut, pour l'application spécifique à la téléphonie mobile par exemple, et à
adapter au fur et à mesure la mise en série des antennes 11a et 11b.Vertical networking of
L'intégration des éléments linéaires 20 commandés se fait de la même
façon que pour une antenne biconique simple. La tension de polarisation des
diodes est appliquée à l'âme centrale du câble coaxial 200 et est récupérée
sur le dernier cône 111 b du réseau. Les éléments 20 traversent les cônes
sans contact électrique et sont reliés à la masse sur le cône inférieur 112a.The integration of the
Si l'on veut réaliser un faisceau de rayonnement dans une autre direction que celle définie par =90°, on peut appliquer un déphasage variable entre les différentes antennes biconiques mises en réseau dans une antenne configurable multiple. Le même résultat peut être obtenu avec une antenne configurable multiple mettant en réseau des antennes biconiques dissymétriques.If you want to make a beam of radiation in another direction than that defined by = 90 °, we can apply a phase shift variable between the different biconical antennas networked in a multiple configurable antenna. The same result can be obtained with a Multiple Configurable Antenna Networking Biconical Antennas unsymmetrical.
Il faut également signaler qu'avec des éléments réflecteurs 20 à
réflectivité variable avec la fréquence il est possible de générer des faisceaux
dans certaines directions de l'espace pour une bande de fréquence donnée et
dans d'autres directions pour d'autres bandes fréquentielles. It should also be noted that with
Enfin, on peut noter la possibilité d'obtenir une double polarisation
verticale et horizontale en intégrant au système de d'éléments réflecteurs 20
verticaux une autre structure d'éléments réflecteurs orthogonaux pour piloter
le rayonnement horizontal et pouvoir ainsi réaliser un rayonnement à ± 45°.Finally, we can note the possibility of obtaining a double polarization
vertical and horizontal by integrating the system of
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