EP1516393A1 - Dispositif rayonnant bi-bande a double polarisation - Google Patents

Dispositif rayonnant bi-bande a double polarisation

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EP1516393A1
EP1516393A1 EP03760720A EP03760720A EP1516393A1 EP 1516393 A1 EP1516393 A1 EP 1516393A1 EP 03760720 A EP03760720 A EP 03760720A EP 03760720 A EP03760720 A EP 03760720A EP 1516393 A1 EP1516393 A1 EP 1516393A1
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radiating element
dipoles
dipole
cavity
radiating
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Arialcom
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    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
    • H01Q5/42—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements using two or more imbricated arrays

Definitions

  • the invention relates to antennas and their radiating elements usable in particular in the base stations of cellular radiocommunication networks of GSM or UMTS type for example.
  • a radiating element with double polarization can be formed of two radiating dipoles, each dipole being constituted by two strands of collinear conductors. The length of each strand is substantially equal to a quarter of the working wavelength.
  • the dipoles are mounted on a structure allowing their supply and their positioning above a reflector (ground plane). This allows, by reflection of the rear radiation of the dipoles, to refine the directivity of the radiation diagram of the assembly thus formed.
  • the dipoles can radiate or receive electromagnetic waves according to two polarization channels, for example a horizontal polarization channel and a vertical polarization channel or also according to two polarization channels offset by an angle of ⁇ 45 "from horizontal or vertical.
  • inter-band decoupling basically depends on the relative orientation of the second radiating element placed in the center of the first.
  • the parallel dipoles of the elements operating in the frequency bands FI and F2 are insufficiently decoupled in the upper frequency band of frequency F2 for which the peripheral dipoles have a large dimension relative to the wavelength corresponding to the frequency F2 .
  • the interaction between the peripheral dipoles operating at the frequency FI and the crossed dipoles operating at the frequency F2 is due both to direct radiation, the dipoles being in direct visibility, but also to radiation reflected by the reflector.
  • the perpendicular channels of the two radiating elements are well decoupled by virtue of this geometric orthogonality.
  • the invention aims to improve the situation.
  • the dual-polarized dual-band radiating device comprises a first radiating element operating in a first frequency band FI which is formed by four dipoles arranged in a square and a second radiating element operating in a second frequency band F2 which is formed of at least one dipole disposed in the center of the square of the dipoles forming the first radiating element, each dipole being fed at its center by a balun.
  • the first and second radiating elements are arranged above a reflector.
  • the dipoles forming the first radiating element and the baluns are produced in the same metal plate, each balun of a dipole being formed by a short-slit line cut in the metal plate in a direction perpendicular to the axis of the dipole.
  • the second radiating element is formed by at least one dipole disposed inside a cavity opening into the center of the metal plate.
  • the metal plate and the cavity can be made in one piece, by stamping for example.
  • the second radiating element operating in the frequency band F2 is then fixed inside and in the center of the cavity, the bottom of which serves as an electric short-circuit plane for at least one balun or balun used to supply the second element.
  • the first radiating element and the second radiating element exhibit a very weak electromagnetic interaction. This is only due to the diffraction of the edge of the cavity. In this way the decoupling between the two frequency bands is very strong whatever the relative orientation of the dipole (s) forming the second radiating element inside the cavity, ie its polarization.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a first radiating device with double polarization capable of operating in two different frequency bands according to the invention
  • - Figure 2 shows a view along section AA of Figure 1.
  • FIG. 3 is a perspective view of the device shown in Figures 1 and 2.
  • - Figure 4 is an alternative embodiment of the first radiating element of Figure 1 - Figure 5 shows a second embodiment of a device according the invention
  • FIG. 6 is a view along section AA of the device in FIG. 5.
  • FIG. 7 is a perspective view of the device in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 8 is a partial perspective view of a collinear network formed on the one hand of dual-band and bipolarized radiating elements of the type described in FIG. 7 and of single-band and bipolarized radiating elements of the same type as the elements central radiators of figure 7.
  • the drawings essentially contain elements of a certain character. They can therefore not only serve to better understand the description, but also contribute to the definition of the invention, if necessary.
  • the device shown in Figures 1, 2 and 3 where the homologous elements are represented with the same references, shows four dipoles referenced from 1 to 4 forming a square, cut from a metal plate 5 having a central hole 6 into which the open end of a radiating cavity 7.
  • the side of the square formed by each dipole has a typical length equal to the half wavelength of the IF wave radiated by the dipoles for an opening at half power of the neighboring beam 65 ° in the horizontal plane.
  • the length (1) of a dipole determines its impedance and can be greater or less depending on the thickness and width of the dipole. The greater this thickness, the shorter the length of the dipole.
  • the side (d) of the square is determined according to the half-power opening which is sought and which can have a value different from 65 ° and the length of the dipoles is adjusted to ensure the adaptation d impedance, usually 50 Ohms, of the pair of parallel dipoles associated to form a polarization path with directional diagram.
  • the dipoles 1 to 4 and the cavity 7 can be made in one piece by cutting and stamping the metal plate 5.
  • Each dipole 1 to 4 is supplied by a balun referenced respectively from 8 to 11, of the "balun" type formed by a short slit line cut in the metal plate
  • Each balun constitutes a support arm for the corresponding dipole.
  • the plate 5 is formed around the hole 6 for the passage of the cavity 7 by a concentric ring 12 having on its outer periphery and in two directions at right angles protrusions or arms 13 to 16 of shapes for example, rectangular, bevelled or trapezoidal, respectively connecting the crown 12 to the dipoles 1 to 4.
  • the radial length (h) of the arms is preferably not zero, for example greater than 0.05 ⁇ l so as to avoid direct contact of the inner edge of the dipoles with the outer edge of the ring 12 and thus minimize the interaction between the current flowing on the dipole and the currents flowing on the ring 12.
  • the average width (w) of the arms is typically 5 to 10 times the width of the slotted line which is moreover very small compared to the wavelength ⁇ l corresponding to the frequency FI.
  • the width of the crown 12 is determined to be sufficient both mechanically to support the dipoles and on the radio level to stabilize the directivity of the radiation patterns of the cavity 7 in the second frequency band F2, making less fluctuating the half-power opening of the radiation patterns as a function of frequency.
  • This width is preferably greater than 5 / 100th of the wavelength ⁇ 2 corresponding to the frequency F2.
  • the dipoles 1 to 4 are supplied at their base, that is to say at the open end of the slotted lines of the baluns 8 to 11 by means, for example, of coaxial cables referenced respectively from 17 to 20.
  • the dipoles 2 and 4 geometrically parallel on two opposite sides of the square are supplied at equal phase and amplitude by two identical coaxial lines 18 and 20 and an association tee 21 to form a polarization path with directional diagram , like a classical network of two parallel dipoles.
  • the coaxial supply lines 17, 18, 19, 20 of the dipoles are arranged respectively along and on one side of the baluns 8, 9, 10, 11.
  • the external conductive sheath of the coaxial lines 17 to 20 is in electrical contact with the base of the first half of the dipole it supplies and with the plate 5, and the central conductor is connected to the base of the other half of the same dipole.
  • Two orthogonal polarization paths are thus obtained, the radiation patterns of which are substantially identical.
  • this mode of association is not limiting, and other modes can be envisaged.
  • the symmetrizers of the dipoles are slit lines cut in the plate 5 in the form of meanders.
  • the meanders of each slotted line must be in sufficient number so that the slotted line has a length substantially equal to a quarter of the wavelength of the IF frequency wave radiated by the first radiating element.
  • the slit lines can take other forms, they can for example as shown in Figure 4 where the elements homologous to those of FIG. 1 bear the same references, being formed by a circular section followed by a straight section leading to the supply base of a dipole.
  • the circular section can be anywhere on the crown 12. However to avoid coupling between the waves of frequencies FI and F2, it is preferable that it is not near the edge of the hole 6 but rather in the middle of the crown 12.
  • the radiating plate 5 is in electrical contact with the edge 7a of the cavity.
  • the cavity 7 is excited in its center by a radiating element 23 operating on the second frequency F2.
  • This radiating element 23 can be of simple dipole type for the case of operation in single polarization mode or of crossed dipole type, or turnstile commonly called in English "turnstile", for the case of operation in polarization mode orthogonal, or any other type of radiating elements suitable for other types of polarization including circular.
  • the bottom 7b of the cavity 7 is closed so that the radiation from the interior radiating element 23 is unidirectional and directed towards the front of the cavity 7.
  • each balun is formed by a first conductive tube 24 and a second conductive tube 25 of lengths substantially equal to a quarter of the wavelength of the frequency wave F2.
  • the conductors 24 and 25 are in electrical connection by their respective ends with the supply base of each half of a dipole of the radiating element 23 and the bottom 7b of the cavity.
  • the first tube 24 is traversed along its longitudinal axis by a central conductor 26, one end of which is connected to the supply base of the half dipole opposite to that to which it is connected by one of its ends and the other end of which can be connected to the central conductor of a power connector or possibly to the central conductor of a coaxial cable not shown.
  • the tubes 24 and 25 thus form with the central conductor 26 a coaxial line transforming impedance for the dipole to which they are connected.
  • the depth of the cavity 7 is close to a quarter of the wavelength ⁇ 2 of the radiated wave of frequency F2 of the radiating element 23 inside the cavity.
  • the height of the radiating element 23 relative to the bottom 7b of the cavity is also close to a quarter of the wavelength ⁇ 2 while being less than the depth of the cavity 7.
  • the diameter of the cavity 7 can vary within wide proportions, for example between 0.45 ⁇ 2 and ⁇ 2, for half-power openings of less than 90 ° of the radiation patterns in the diagonal planes inclined by ⁇ 45 ° relative to the planes principal E and H of the dipole inside the cavity.
  • the spacing necessary between the dipoles 1 to 4 of the radiating plate 5 operating at the frequency FI can limit the maximum diameter of the cavity 7.
  • a diameter of 80mm and a cavity depth of 40mm are suitable for producing an aperture diagram at half power about 65 ° in the GSM1800 or UMTS band.
  • the cavity 7 which supports the plate 5 is fixed on a reflector 24 of sufficient dimensions to allow the electromagnetic fields radiated behind the dipoles on the reflector to be returned to the front.
  • the reflector 24 is intended to render the radiation of the dipoles of the radiating structure unidirectional.
  • the reflector 24 may include low walls whose role is to stiffen the structure but also to act on the directivity of the radiated diagrams.
  • the height of the dipoles of the radiating plate 5 with respect to the reflector 24 can typically vary from ⁇ l / 8 to ⁇ l / 4 in the frequency band FI of wavelength ⁇ l.
  • the dipoles 1 to 4 of the plate 5 are partly raised relative to the plane formed by the opening of the cavity 7, each dipole being divided into three parts, a lower part respectively lb, 2b, 3b, 4b located in the plane of the plate 5 and two upper parts respectively la, le; 2a, 2c; 3a, 3c; 4a, 4c located on either side of the lower part.
  • This elevation which preferably must retain the geometric symmetry of the structure, can also be done by tilting the parts of the dipoles located beyond the zones of the corresponding baluns 8 to 11.
  • dipoles Various others geometric shapes can be envisaged to produce dipoles, the only condition being respect for the symmetry of the radiating structure, that is to say the identity of the dipoles, if not of the four at least two by two by pairs of parallel dipoles.
  • the symmetry of the dipoles in pairs means that two parallel dipoles have the same total length so that they have the same impedance and that their respective radiation is substantially the same.
  • the two pairs of dipoles are not necessarily identical because each pair of dipoles generates an independent bias path.
  • the symmetry in question is a symmetry with respect to the center (O) of the square formed by the four dipoles.
  • the structures of the radiating elements in FIGS. 1 to 7 are very simple and make it possible to produce dual-band radiating structures having two orthogonal polarization paths in each frequency band, inclined for example, as shown in FIGS. 1 and 5, at low cost. , ⁇ 45 ° from a vertical direction w '.
  • the four channels thus formed are strongly decoupled from each other, typically 30 dB, and radiate in each frequency band according to unidirectional directivity diagrams having half-power openings of less than 90 ° in the horizontal plane, for example 65 °.
  • collinear alignments can be made of a plurality of such radiating structures to form vertical linear networks of high gain, for example 18dBi, dual-band having two orthogonal polarization channels inclined by ⁇ 45 ° relative to a vertical direction. w 'in each frequency band.
  • the embodiment of the network shown in FIG. 8 comprises on the one hand dual-band and bipolarized radiating elements of the type described in FIG. 7 operating in the bands FI (GSM900) and F2 (UMTS and / or DCS) and d 'other hand of bipolarized single-band radiating elements operating in the band F2 of the same type as the central elements of Figure 7.
  • the pitch of the network for the band F2 is half the pitch of the network for the band IF. It is thus possible to build a highly directive network with regular pitch, dual-band and bipolarized having good polarization purity and a strong decoupling between the different channels.
  • all the radiating elements operating in the band F2 have substantially the same phase center due to their identity, this being located on the central axis of the cavity, axis perpendicular to the plane of the opening of the cavity .
  • This property greatly facilitates the electrical pointing (or Tilt) of the beam by action on the phase shifts between radiating elements and also allows better alignment of the phases of the radiating elements in the frequency band for greater directivity of the antenna.
  • Radiating elements produced in accordance with those of the invention described above and operating in the GSM1800, GSM 1900 and UMTS frequency bands have made it possible to obtain insulation between the channels close to 30dB, with standing wave ratios relative to 50 Ohms for all radiating elements less than 1.7: 1 and half-power openings of the directivity diagrams close to 65 ° in the horizontal plane for gains close to 9dBi in the two frequency bands.

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Description

DISPOSITIF RAYONNANT BI-BANDE A DOUBLE POLARISATION
L'invention concerne les antennes et leurs éléments rayonnants utilisables notamment dans les stations de base des réseaux de radiocommunication cellulaires de type GSM ou UMTS par exemple.
Un élément rayonnant à double polarisation peut être formé de deux dipoles rayonnants, chaque dipôle étant constitué par deux brins de conducteurs colinéaires. La longueur de chaque brin est sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de travail. Les dipoles sont montés sur une structure permettant leur alimentation et leur positionnement au dessus d'un réflecteur (plan-masse). Ceci permet, par réflexion du rayonnement arrière des dipoles, d'affiner la directivité du diagramme de rayonnement de l'ensemble ainsi formé.
Il est connu pour réaliser un dispositif rayonnant fonctionnant dans deux bandes de fréquence et à polarisations orthogonales, de disposer un premier élément rayonnant, formé par quatre dipoles en quadrature opérant sur une première fréquence FI, autour d'un deuxième élément rayonnant formé par deux dipoles croisés en quadrature opérant sur une deuxième fréquence F2, l'ensemble de ces éléments étant disposé au dessus d'un réflecteur.
Selon leur orientation dans l'espace, les dipoles peuvent rayonner ou recevoir des ondes électromagnétiques suivant deux voies de polarisation, par exemple une voie de polarisation horizontale et une voie de polarisation verticale ou encore suivant deux voies de polarisation décalées d'un angle de ± 45 "par rapport à l'horizontale ou la verticale.
Cependant le découplage inter-bande dépend fondamentalement de l'orientation relative du deuxième élément rayonnant placé au centre du premier. En particulier les dipoles parallèles des éléments fonctionnant dans les bandes de fréquence FI et F2 sont insuffisamment découplés dans la bande de fréquence supérieure de fréquence F2 pour laquelle les dipoles périphériques ont une dimension grande par rapport à la longueur d'onde correspondant à la fréquence F2. En effet l'interaction entre les dipoles périphériques fonctionnant à la fréquence FI et les dipoles croisés fonctionnant à la fréquence F2 est due à la fois au rayonnement direct, les dipoles étant en visibilité directe, mais aussi au rayonnement réfléchi par le réflecteur. En revanche les voies perpendiculaires des deux éléments rayonnants sont bien découplées en vertu de cette orthogonalité géométrique. Mais si cette orthogonalité n'est plus respectée, notamment si les dipôles de l'élément rayonnant central ont des orientations arbitraires par rapport à ceux des dipôles périphériques formant le premier élément rayonnant alors un couplage inter-bande assez fort apparaît entre les différentes voies de transmission ou de réception des deux éléments rayonnants.
Un autre désavantage de cette structure est que le rayonnement de l'élément rayonnant central est perturbé par l'élément rayonnant périphérique. En effet ce rayonnement est partiellement diffracté en particulier par les dipôles de l'élément rayonnant périphérique, de sorte que le diagramme de rayonnement résultant présente dans le meilleur des cas des ondulations et, pour une orientation relative arbitraire des dipôles de l'élément rayonnant central, ce diagramme est dissymétrique par rapport à l'axe principal de rayonnement perpendiculaire au plan des dipôles.
Il reste donc difficile d'obtenir un élément rayonnant bi-bande simple à fabriquer possédant deux voies orthogonales à polarisation linéaire fortement découplées dans une large bande de fréquence. Il est a fortiori difficile de réaliser un réseau directif bipolarisé comportant plusieurs éléments rayonnants de ce genre, et offrant une bonne pureté de polarisation.
Sur un autre plan, il serait souhaitable d'obtenir un élément rayonnant avec deux voies orthogonales de polarisation ayant chacune un diagramme de rayonnement unidirectionnel et dont l'ouverture à mi-puissance dans les plans diagonaux c'est à dire des plans situés à ± 45 "des plans principaux E et H de chaque dipôle, soit substantiellement inférieure à 90°.
L'invention a pour but d'améliorer la situation.
Le dispositif rayonnant bi-bande à double polarisation selon l'invention, comprend un premier élément rayonnant fonctionnant dans une première bande de fréquence FI qui est formé de quatre dipôles disposés en carré et un deuxième élément rayonnant fonctionnant dans une deuxième bande de fréquence F2 qui est formé d'au moins un dipôle disposé au centre du carré des dipôles formant le premier élément rayonnant, chaque dipôle étant alimenté en son centre par un symétriseur. Le premier et le deuxième élément rayonnant sont disposés au dessus d'un réflecteur. Suivant une disposition avantageuse, les dipôles formant le premier élément rayonnant et les symétriseurs sont réalisés dans une même plaque métallique, chaque symétriseur d'un dipôle étant formé par une ligne à fente en court circuit taillée dans la plaque métallique suivant une direction perpendiculaire à l'axe du dipôle. Le deuxième élément rayonnant est formé par au moins un dipôle disposé à l'intérieur d'une cavité débouchant au centre de la plaque métallique.
Suivant un autre mode de réalisation avantageux de l'invention la plaque métallique et la cavité peuvent être réalisés en une seule pièce, par emboutissage par exemple. Le deuxième élément rayonnant fonctionnant dans la bande de fréquence F2 est ensuite fixé à l'intérieur et au centre de la cavité dont le fond sert de plan de court-circuit électrique à au moins un symétriseur ou balun servant à l'alimentation du deuxième élément rayonnant
Ainsi réalisé le premier élément rayonnant et le deuxième élément rayonnant présentent une interaction électromagnétique très faible. Celle-ci n'est due qu'à la diffraction de bord de la cavité. De la sorte le découplage entre les deux bandes de fréquence est très fort quelle que soit l'orientation relative du ou des dipôles formant le deuxième élément rayonnant à l'intérieur de la cavité, c'est à dire sa polarisation.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée ci-après, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
- la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un premier dispositif rayonnant à double polarisation pouvant fonctionner dans deux bandes de fréquence différentes selon l'invention, - la figure 2 représente une vue suivant la coupe AA de la figure 1.
-la figure 3 est une vue en perspective du dispositif représenté aux figures 1 et 2. -la figure 4 est une variante de réalisation du premier élément rayonnant de la figure 1 -la figure 5 représente un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, -la figure 6 est une vue suivant la coupe AA du dispositif de la figure 5. -la figure 7 est une vue en perspective du dispositif des figures 5 et 6.
-la figure 8 est une vue partielle en perspective d'un réseau colinéaire formé d'une part d'éléments rayonnants bi-bande et bipolarisés du type décrit à la figure 7 et d'éléments rayonnants monobande et bipolarisés du même type que les éléments rayonnants centraux de la figure 7. Les dessins contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la description, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant.
Le dispositif représenté aux figures 1, 2 et 3 où les éléments homologues sont représentés avec les mêmes références, fait apparaître quatre dipôles référencés de 1 à 4 formant un carré, découpés dans une plaque métallique 5 comportant un trou central 6 dans lequel débouche l'extrémité ouverte d'une cavité rayonnante 7. Le côté du carré formé par chaque dipôle a une longueur typique égale à la demi longueur d'onde de l'onde de fréquence FI rayonnée par les dipôles pour une ouverture à mi-puissance du faisceau voisine de 65 ° dans le plan horizontal.
Il est à noter cependant, que c'est l'écartement (d) entre deux dipôles parallèles de la plaque rayonnante 5 et par conséquent la longueur des côtés du carré formé par les quatre dipôles 1 à 4 qui détermine en grande partie la directivité du diagramme de rayonnement dans le plan horizontal de ces dipôles, c'est à dire l'ouverture à mi-puissance de ce diagramme et que cette ouverture dépend assez peu de la longueur (1) des dipôles. La longueur (1) d'un dipôle détermine son impédance et peut être plus ou moins grande selon l'épaisseur et la largeur du dipôle. Plus cette épaisseur est grande plus courte sera la longueur du dipôle. En d'autres termes le côté (d) du carré est déterminé en fonction de l'ouverture à mi-puissance qui est recherchée et qui peut avoir une valeur différente de 65° et la longueur des dipôles est ajustée pour assurer l'adaptation d'impédance, en général de 50 Ohms, de la paire des dipôles parallèles associés pour former une voie de polarisation à diagramme directif. Suivant un mode de réalisation avantageux les dipôles 1 à 4 et la cavité 7 peuvent être réalisés d'une seule pièce par découpage et emboutissage de la plaque métallique 5.
Chaque dipôle 1 à 4 est alimenté par un symétriseur référencé respectivement de 8 à 11 , de type "balun" formé par une ligne à fente en court circuit taillée dans la plaque métallique
5.
Chaque symétriseur constitue un bras support du dipôle correspondant. Pour ce faire la plaque 5 est formée autour du trou 6 de passage de la cavité 7 par une couronne concentrique 12 comportant sur sa périphérie extérieure et suivant deux directions à angle droit des excroissances ou bras 13 à 16 de formes par exemple, rectangulaire, biseautée ou trapézoïdale, reliant respectivement la couronne 12 aux dipôles 1 à 4. La longueur radiale (h) des bras est de préférence non nulle, par exemple supérieure à 0,05λl de façon à éviter le contact direct du bord intérieur des dipôles avec le bord extérieur de la couronne 12 et ainsi minimiser l'interaction entre le courant circulant sur les dipôle et les courants circulant sur la couronne 12. La largeur moyenne (w) des bras est typiquement de 5 à 10 fois la largeur de la ligne à fente qui est par ailleurs très petite devant la longueur d'onde λl correspondant à la fréquence FI .
La largeur de la couronne 12 est déterminée pour être suffisante à la fois sur le plan mécanique pour supporter les dipôles et sur le plan radioélectrique pour stabiliser la directivité des diagrammes de rayonnement de la cavité 7 dans la deuxième bande de fréquence F2, en rendant moins fluctuante l'ouverture à mi-puissance des diagrammes de rayonnement en fonction de la fréquence. Cette largeur est de préférence supérieure à 5/100- ième de la longueur d'onde λ2 correspondant à la fréquence F2.
Les dipôles 1 à 4 sont alimentés à leur base, c'est à dire à l'extrémité ouverte des lignes à fente des symétriseurs 8 à 11 au moyen par exemple de câbles coaxiaux référencés respectivement de 17 à 20. Sur la vue en coupe de la figure 2 les dipôles 2 et 4 géométriquement parallèles sur deux côtés opposés du carré sont alimentés à égalité de phase et d'amplitude par deux lignes coaxiales 18 et 20 identiques et un Té d'association 21 pour former une voie de polarisation à diagramme directif, tel un réseau classique de deux dipôles parallèles. Les lignes coaxiales d'alimentation 17, 18, 19, 20 des dipôles sont disposées respectivement le long et sur un côté des symétriseurs 8, 9, 10, 11. La gaine conductrice externe des lignes coaxiales 17 à 20 est en contact électrique avec la base de la première moitié du dipôle qu'elle alimente et avec la plaque 5, et le conducteur central est connecté à la base de l'autre moitié du même dipôle. On obtient ainsi deux voies orthogonales de polarisation dont les diagrammes de rayonnement sont sensiblement identiques. Cependant ce mode d'association n'est pas limitatif, et d'autres modes peuvent être envisagés.
Les symétriseurs des dipôles sont des lignes à fente taillées dans la plaque 5 en forme de méandres. Les méandres de chaque ligne à fente doivent être en nombre suffisant pour que la ligne à fente ait une longueur sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de l'onde de fréquence FI rayonnée par le premier élément rayonnant. Cependant les lignes à fente peuvent revêtir d'autres formes, elles peuvent par exemple comme le montre la figure 4 où les éléments homologues à ceux de la figure 1 portent les mêmes références, être formées par un tronçon circulaire suivi d'un tronçon rectiligne aboutissant à la base d'alimentation d'un dipôle. Le tronçon circulaire peut être n'importe où sur la couronne 12. Cependant pour éviter le couplage entre les ondes de fréquences FI et F2, il est préférable qu'il ne soit pas près du bord du trou 6 mais plutôt au milieu de la couronne 12.
La cavité métallique 7 peut revêtir une forme cylindrique ou légèrement conique, de section circulaire ou plus généralement polygonale à 2 puissance N cotés égaux avec N=2, 3, 4.... La plaque rayonnante 5 est en contact électrique avec le bord 7a de la cavité.
La cavité 7 est excitée en son centre par un élément rayonnant 23 fonctionnant sur la deuxième fréquence F2. Cet élément rayonnant 23 peut être de type dipôle simple pour le cas d'un fonctionnement en mode de polarisation unique ou de type à dipôles croisés, ou tourniquet communément appelé en anglais "turnstile", pour le cas d'un fonctionnement en mode de polarisations orthogonales, ou tout autre type d'éléments rayonnants adapté à d'autres types de polarisation y compris circulaire. Le fond 7b de la cavité 7 est fermé de façon à ce que le rayonnement de l'élément rayonnant intérieur 23 soit unidirectionnel et directif vers l'avant de la cavité 7.
L'alimentation des dipôles formant l'élément rayonnant 23 s'effectue aux moyens de symétriseurs de type "balun". Sur la vue en coupe de la figure 2 chaque symétriseur est formé par un premier tube conducteur 24 et un deuxième tube conducteur 25 de longueurs sensiblement égales au quart de la longueur d'onde de l'onde de fréquence F2. Les conducteurs 24 et 25 sont en liaison électrique par leurs extrémités respectives avec la base d'alimentation de chaque moitié d'un dipôle de l'élément rayonnant 23 et le fond 7b de la cavité. Le premier tube 24 est traversé le long de son axe longitudinal par un conducteur central 26 dont une extrémité est reliée à la base d'alimentation du demi dipôle opposé à celui auquel il est relié par une de ses extrémités et dont l'autre extrémité peut être reliée au conducteur central d'un connecteur d'alimentation ou éventuellement au conducteur central d'un câble coaxial non représentés. Les tubes 24 et 25 forment ainsi avec le conducteur central 26 une ligne coaxiale transformatrice d'impédance pour le dipôle auquel ils sont reliés. De façon avantageuse la profondeur de la cavité 7 est proche du quart de la longueur d'onde λ2 de l'onde rayonnée de fréquence F2 de l'élément rayonnant 23 intérieur à la cavité. La hauteur de l'élément rayonnant 23 par rapport au fond 7b de la cavité est également proche du quart de la longueur d'onde λ2 tout en étant inférieure à la profondeur de la cavité 7.
Le diamètre de la cavité 7 peut varier dans de larges proportions, entre par exemple 0,45λ2 et λ2, pour des ouvertures à demi-puissance inférieures à 90° des diagrammes de rayonnement dans les plans diagonaux inclinés de ± 45° par rapport aux plans principaux E et H du dipôle à l'intérieur de la cavité. Toutefois selon le rapport des fréquences FI /F2 l'écartement nécessaire entre les dipôles 1 à 4 de la plaque rayonnante 5 fonctionnant à la fréquence FI peut limiter le diamètre maximum de la cavité 7. Par exemple, avec un écartement de 170mm entre deux dipôles parallèles de la plaque rayonnante fonctionnant dans la bande GSM900, un diamètre de 80mm et une profondeur de cavité de 40mm conviennent pour réaliser un diagramme d'ouverture à mi-puissance 65° environ dans la bande GSM1800 ou UMTS.
Comme il apparaît sur les figures 2 et 3 la cavité 7 qui supporte la plaque 5 est fixée sur un réflecteur 24 de dimensions suffisantes pour permettre aux champs électromagnétiques rayonnes à l'arrière des dipôles sur le réflecteur d'être renvoyés sur l'avant. Outre son rôle mécanique, le réflecteur 24 est destiné à rendre unidirectionnel le rayonnement des dipôles de la structure rayonnante. Le réflecteur 24 peut comporter des murets dont le rôle est de rigidifier la structure mais également d'agir sur la directivité des diagrammes rayonnes. La hauteur des dipôles de la plaque rayonnante 5 par rapport au réflecteur 24 peut varier typiquement de λl/8 à λl/4 dans la bande de fréquence FI de longueur d'onde λl .
Suivant un autre mode de réalisation illustré aux figures 5 à 7 où les éléments homologues à ceux des figures 1 à 4 portent les mêmes références, les dipôles 1 à 4 de la plaque 5 sont en partie surélevés par rapport au plan formé par l'ouverture de la cavité 7, chaque dipôle étant partagé en trois parties, une partie basse respectivement lb, 2b, 3b, 4b située dans le plan de la plaque 5 et deux parties hautes respectivement la, le; 2a, 2c; 3a,3c; 4a, 4c situées de part et d'autre de la partie basse. Cette surélévation qui de préférence doit conserver la symétrie géométrique de la structure, peut également se faire en inclinant les parties des dipôles situés au-delà des zones des symétriseurs 8 à 11 correspondants. Diverses autres formes géométriques peuvent être envisagées pour réaliser des dipôles, la seule condition étant le respect de la symétrie de la structure rayonnante, c'est à dire l'identité des dipôles, si non des quatre au moins deux à deux par paires de dipôles parallèles. La symétrie des dipôles par paire signifie que deux dipôles parallèles ont une même longueur totale de façon à ce qu'ils aient la même impédance et que leur rayonnement respectif soit sensiblement le même. Les deux paires de dipôles ne sont pas obligatoirement identiques car chaque paire de dipôles engendre une voie de polarisation indépendante. La symétrie dont il s'agit est une symétrie par rapport au centre (O) du carré formé par les quatre dipôles.
Les structures des éléments rayonnants des figures 1 à 7 sont très simples et permettent de réaliser à moindre coût des structures rayonnantes bi-bande ayant deux voies orthogonales de polarisation dans chaque bande de fréquence, inclinées par exemple, comme le montrent les figures 1 et 5, de ± 45° par rapport à une direction verticale w'. Les quatre voies ainsi formées sont fortement découplées entre elles de typiquement 30dB, et rayonnent dans chaque bande de fréquence suivant des diagrammes de directivité unidirectionnels ayant des ouvertures à mi-puissance inférieures à 90° dans le plan horizontal, par exemple 65°. Avantageusement il pourra être réalisé des alignements colinéaires d'une pluralité de telles structures rayonnantes pour former des réseaux linéaires verticaux de gain élevé, par exemple 18dBi, bi-bande ayant deux voies de polarisation orthogonales inclinées de ±45° par rapport à une direction verticale w' dans chaque bande de fréquence.
Le mode de réalisation du réseau montré à la figure 8 comprend d'une part des éléments rayonnants bi-bande et bipolarisés du type décrit à la figure 7 fonctionnant dans les bandes FI (GSM900) et F2(UMTS et/ou DCS) et d'autre part d'éléments rayonnants mono bande bipolarisés fonctionnant dans la bande F2 du même type que les éléments centraux de la figure 7. Le pas du réseau pour la bande F2 est moitié du pas du réseau pour la bande FI. On peut ainsi construire un réseau hautement directif et à pas régulier, bi-bande et bipolarisé ayant une bonne pureté de polarisation et un fort découplage entre les différentes voies. On notera que tous les éléments rayonnants fonctionnant dans la bande F2 ont sensiblement le même centre de phase du fait de leur identité, celui-ci étant situé sur l'axe central de la cavité, axe perpendiculaire au plan de l'ouverture de la cavité. Cette propriété facilite grandement le pointage électrique (ou Tilt) du faisceau par action sur les déphasages entre éléments rayonnants et permet également un meilleur alignement des phases des éléments rayonnants dans la bande de fréquence pour une plus grande directivité de l'antenne. Des éléments rayonnants réalisés conformément à ceux de l'invention décrits précédemment et fonctionnant dans les bandes de fréquence GSM1800, GSM 1900 et UMTS ont permi d'obtenir une isolation entre les voies proche de 30dB, avec des rapports d'onde stationnaire par rapport à 50 Ohms pour tous les éléments rayonnants inférieurs à 1,7:1 et des ouvertures à mi-puissance des diagrammes de directivité proches de 65° dans le plan horizontal pour des gains voisins de 9dBi dans les deux bandes de fréquence.

Claims

Revendications
1. Dispositif rayonnant du type comprenant un premier élément rayonnant fonctionnant dans une première bande de fréquence FI, formé de quatre dipôles (1, 2, 3,4) disposés en carré et un deuxième élément rayonnant (23) fonctionnant dans une deuxième bande de fréquence F2 formé d'au moins un dipôle disposé au centre du carré des dipôles (1, 2, 3, 4) formant le premier élément rayonnant, chaque dipôle étant alimenté en son centre par un symétriseur, l'ensemble des éléments rayonnants étant disposé au dessus d'un réflecteur (24), caractérisé en ce que les dipôles (1, 2, 3, 4) formant le premier élément rayonnant et les symétriseurs (8, 9, 10, 11) qui leur sont associés sont réalisés dans une même plaque métallique (5), chaque symétriseur d'un dipôle étant formé par une ligne à fente en court circuit, taillé dans la plaque métallique (5) suivant une direction perpendiculaire à l'axe du dipôle, et en ce que le deuxième élément rayonnant (23) est formé par au moins un dipôle disposé à l'intérieur d'une cavité métallique (7) placée au centre de la plaque métallique (5).
2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité (7) est de forme cylindrique, conique ou de section polygonale à 2 puissance N côtés égaux avec N=2, 3, 4,...etc.
3-Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la cavité est réalisée par emboutissage de la plaque métallique (5).
4- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les symétriseurs (8, 9, 10, 11) sont formés par des lignes à fentes en court circuit de longueur sensiblement égale au quart de la longueur de fonctionnement du premier élément rayonnant.
5- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les lignes à fente (8, 9, 10, 11) sont en forme de méandres.
6- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les lignes à fente (8, 9, 10, 11) comportent un premier tronçon rectiligne suivi d'un deuxième tronçon circulaire. 7- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les dipôles (1, 2, 3, 4) formant le premier élément rayonnant sont alimentés par des câbles coaxiaux (17, 18, 19, 20) disposées le long des symétriseurs, la gaine conductrice externe de chaque câble étant en contact électrique avec la première moitié du dipôle qu'il alimente, son conducteur central étant connecté à la base de l'autre moitié de ce même dipôle.
8-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les dipôles (1, 2, 3, 4) formant le premier élément rayonnant sont en partie surélevés par rapport au plan formé par l'ouverture de la cavité (7).
9-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la cavité (7) comporte un fond (7b) sur lequel repose le deuxième élément rayonnant (23) par l'intermédiaire de tubes support (24, 25).
10-Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les tubes support (24, 25) forment des ligne bifilaire de type "Balun" pour l'alimentation des dipôles du deuxième élément rayonnant (23).
11 -Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le deuxième élément rayonnant (23) est formé de deux dipôles croisés à angle droit.
12-Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que la hauteur de l'élément rayonnant (23) par rapport au fond (7b) de la cavité(7) est proche du quart de la longueur d'onde rayonnée par le deuxième élément rayonnant tout en étant inférieure à la profondeur de la cavité(7).
13 -Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la profondeur de la cavité (7) est sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de l'onde rayonnée par le deuxième élément rayonnant (23).
14-Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que pour les cavités cylindriques à section circulaire, ou pour les cavités à section polygonale, le diamètre de la cavité (7) ou celui du cercle circonscrit à la section polygonale, est sensiblement compris entre 0,45 X2 et λ2, λ2 désignant la longueur d'onde de l'onde rayonnée par le deuxième élément rayonnant (23).
15-Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le premier élément rayonnant (1 , 2, 3, 4) et le deuxième élément rayonnant (23) sont orientés dans l'espace pour rayonner respectivement deux ondes à polarisations orthogonales inclinées de ± 45° par rapport à la verticale.
16-Réseau d'antenne, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs dispositifs selon l'une des revendications 1 à 15, alignés verticalement sur un même réflecteur (24) et disposés sur le réflecteur (24) de façon à former deux voies de polarisation orthogonales inclinées de ±45° par rapport à la direction verticale dans chaque bande de fréquence.
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