WO2003103086A2 - Element rayonnant large bande a double polarisation, de forme generale carree - Google Patents

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WO2003103086A2
WO2003103086A2 PCT/FR2003/001620 FR0301620W WO03103086A2 WO 2003103086 A2 WO2003103086 A2 WO 2003103086A2 FR 0301620 W FR0301620 W FR 0301620W WO 03103086 A2 WO03103086 A2 WO 03103086A2
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H01Q21/26—Turnstile or like antennas comprising arrangements of three or more elongated elements disposed radially and symmetrically in a horizontal plane about a common centre

Definitions

  • Broadband radiating element with double polarization generally square in shape.
  • the invention relates to antennas and their radiating elements.
  • 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 the horizontal or vertical.
  • 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 the horizontal or vertical.
  • a radiating element with two orthogonal polarization pathways each having a unidirectional radiation diagram and whose aperture at half power in the diagonal planes, ie planes located at + / - 45 ° from the main planes E and H of each dipole. is substantially less than 90 °.
  • the invention aims to improve the situation.
  • each dipole comprises a pair of coplanar conductive plates, of the same geometry in the general shape of a square; the two plates of each pair are positioned with their diagonals substantially aligned on the same alignment axis for each pair; and the axes of alignment of the two pairs of plates intersect at right angles at a crossing point situated between the plates of each dipole.
  • the plates are arranged with respect to each other so that two vertices of a square of a plate, opposite on a diagonal of the square, are aligned along the same alignment axis with two opposite vertices on a diagonal of the square of the other plate of the same pair.
  • FIG. 1 is a top view of a first embodiment of a radiating element according to the invention
  • FIG. 2 is a view along section AA of the radiating element of FIG. 1,
  • FIGS. 3, 4 and 5 illustrate a top view of three alternative embodiments of the radiating element shown in FIGS. 1 and 2,
  • FIG. 6 is a perspective view of a linear network composed of several radiating elements according to the invention.
  • FIGS. 7a and 7b are top views of a radiating element according to the invention, shown schematically, in which are shown the electric field distributions.
  • Figure 1 shows a virtual dotted square outline 1, the side length of which is "a”.
  • the radiating element shown comprises four metallic radiating plates 2a, 2b, 2c, 2d, of square shape, the side length of which is "c". These four plates are juxtaposed in the same plane inside the virtual square 1.
  • the square plates 2a and 2c have a common diagonal, that is to say located substantially on the same alignment axis 3; similarly, the plates 2b and 2d have a common diagonal, that is to say located substantially on the same alignment axis 4.
  • alignment axes 3, 4 which constitute diagonals common to both pairs of plates, intersect at right angles at a crossing point "O" located between the plates of each pair or dipole.
  • the alignment axes 3 and 4 also form the diagonals of the dotted virtual square 1.
  • Each pair of plates, respectively; 2b, 2d, is supplied by means of a balun.
  • the pair of plates 2a, 2c forms a symmetrical dipole radiating a polarized electric field, and this in a plane perpendicular to that of the plates 2a, 2b, 2c, 2d, and containing the common diagonal 3 to the said plates.
  • the pair of plates 2b, 2d forms a symmetrical dipole radiating a polarized electric field, and this in a plane perpendicular to that of the plates 2a, 2b, 2c, 2d, and containing the common diagonal 4 to the said plates.
  • the two orthogonal pairs of plates thus generate two electric fields orthogonal to one another.
  • the polarization planes make an angle of +/- 45 ° with respect to the vertical axis W of FIG. 1, which passes in the interval between the plates 2a, 2b on the one hand, and 2c, 2d d ' somewhere else.
  • the plane of the four plates is arranged parallel to a plane reflector 5.
  • Each of the plates 2a, 2b, 2c, 2d can be mounted and supported on the reflector 5 by means of conductive tubes referenced respectively 6a, 6b, 6c, 6d.
  • Each tube is fixed at one of its ends to the plane reflector 5, and oriented in a general direction perpendicular to the plane of the plates and to the plane of the reflector 5.
  • the reflector 5 allows the back radiation from the plates to be reflected by reflection. It is positioned so that the overall resulting radiation corresponds to a unidirectional diagram, directed towards the half-space which contains the radiating plates (relative to the reflector).
  • the pair of tubes 6a, 6c forms the balun of the pair of diagonally opposite plates 2a, 2c.
  • the pair of tubes 6b, 6d forms the balun of the pair of diagonally opposite plates 2b, 2d.
  • Each balun can be seen as a two-wire line, the upper ends of which are electrically connected to the plates respectively and the lower ends of which are electrically connected to the reflector 5, as well as to a hot supply point.
  • one of the tubes 6b or 6c of a balun can be traversed by a central conductor 7b or 7c, one end of which is connected to the diagonally opposite plate 2d or 2a, and the other end of which is connected to the conductor central of a power connector 8 or possibly to the central conductor of a coaxial cable not shown, the sheath of which would be welded to the reflector 5.
  • the tube 6b or 6c thus forms, with its central conductor 7b or 7c, a transforming coaxial line impedance for the dipole formed by the pair of plates connected to the balun, in each case.
  • each central conductor 7b or 7c passing through a tube 6b or 6c can be of circular, square, rectangular or other section.
  • the section of the tubes 6a, 6b, 6c, 6d of the baluns can be circular, square, rectangular, trapezoidal, almost triangular or of another shape, preferably substantially regular.
  • the section of the tubes may also not be closed, for example by being open on one side.
  • the main thing is that the tubes can receive the central conductor, which can possibly have the shape of a conductive strip (strip) to allow the supply of the hot spot and the impedance transformation.
  • the tubes can also be filled with a dielectric to facilitate the mechanical resistance of the central conductor or to achieve the necessary length of the central conductor for the adaptation of impedance.
  • the tubes not receiving a central conductor can be hollow or solid.
  • the transverse dimension of this section is chosen to produce a suitable excitation of the plate concerned (that which receives the end of the central conductor concerned, 7b or 7c), and, by symmetry of the opposite plate on the same diagonal 3 or 4.
  • the plates 2a, 2b, 2c, 2d can be hollowed out, and each have a hole 9, substantially of the same shape, for example a circular hole centered at the point of intersection of the diagonals of the square defined by each plate. This makes it possible to lighten their weight; and it has been observed that this does not appreciably modify the radioelectric properties of the radiating elements.
  • FIG 4 A variant applicable to the previous embodiments is shown in Figure 4, where the elements homologous to those of Figure 1 retain the same references.
  • the four outer corners of the plates 2a, 2b, 2c, 2d situated at the ends of the two alignment axes 3 and 4 can also be cut along cutting planes perpendicular to the alignment axes; this section is substantially identical on the four corners to maintain the geometric symmetry of the two polarization paths.
  • Another variant consists in folding the corner of each plate more or less down or up relative to the horizontal plane of the plates at a certain angle " ⁇ ". In this way the folded corner forms an isosceles triangle with side "w” inclined by " ⁇ " relative to the plane of the plates ( ⁇ is between -90 ° and + 90 °).
  • ⁇ is between -90 ° and + 90 °.
  • the depth w of the section shown in FIG. 4 or of the fold of the variant embodiment described above, measured along a side of length "c" of the square of a plate from its angle at the top, can in these configurations be at most equal to the length of the side "c" of the square, reducing the latter to the shape of a triangle, without the proper functioning of the radiating element being significantly altered.
  • FIG. 5 it is also possible to combine the embodiments of the plates 2a, 2b, 2c, 2d of FIGS. 3 and 4 to produce a radiating element in the form of a "Maltese cross.
  • the plates 2a, 2b, 2c, 2d are pierced with a circular hole 9 and the outer corners located on the alignment axes are truncated.
  • the weight of the radiating element is reduced, without the characteristics of the radiating element being significantly degraded.
  • FIG. 6 several radiating elements of one of the types described with reference to FIGS. 1 to 4 are aligned above a common reflector 5, to form an array of antennas.
  • the alignment axes 3 and 4 of the radiating plates of the dipoles are inclined at an angle equal to ⁇ 45 ° relative to the longitudinal axis w 'of the reflector 5.
  • Other alignments are possible, depending on the needs.
  • the field of variation of the main dimensions "a” and "h” can be as follows: 0.35 ⁇ ⁇ a ⁇ 0.6 ⁇
  • ⁇ is the wavelength corresponding to the operating frequency of the radiating element.
  • the spacing between the plates "b" is typically a few millimeters or a few hundredths of the dimension "a".
  • the radiating element is particularly well suited to the production of base station antennas for cellular radiocommunication networks such as GSM900 (870 to 960 MHz), GSM1800 (1710 to 1880 MHz) or the new UMTS system (1920 to 2170 MHz) for which the links with the mobiles must be made according to two orthogonal polarizations inclined by ⁇ 45 ° with respect to the vertical.
  • GSM900 870 to 960 MHz
  • GSM1800 (1710 to 1880 MHz
  • the new UMTS system (1920 to 2170 MHz) for which the links with the mobiles must be made according to two orthogonal polarizations inclined by ⁇ 45 ° with respect to the vertical.
  • the radiating element according to the invention can be used for other applications and other frequency bands requiring for example to transmit and receive electromagnetic waves with right or left circular polarization by combining the two polarization channels. orthogonal in phase quadrature.
  • a planar network that is to say a bi-directional network
  • the radiating elements are aligned horizontally with a determined step and vertically with another determined step.
  • a sub-network of two horizontal elements associated in parallel with equal supply allows an opening at -3dB of approximately 29 ° in the horizontal plane for a step of 0.9 ⁇ , where ⁇ is the wavelength functionally.
  • a uniform vertical alignment of 8 of such sub-networks allows an opening of approximately 7 ° in the vertical plane with the same pitch of 0.9 ⁇ ; the global network thus formed has a theoretical gain of approximately 22.5 dBi.
  • the radiating plates by etching on a thin dielectric support, for example of the "Nerre-Teflon” or “Duro ⁇ d” type.
  • This printed technology will find its application in particular at high frequencies ranging from 5 Ghz to 24 GHz.
  • FIG. 7a is a diagram of a radiating element according to the invention in which the pair of plates 2b and 2d inclined at -45 ° relative to the axis W is supplied by an RF source of potential -N and + N respectively in points 6b and 6d.
  • FIG. 7b is a diagram of a radiating element according to the invention in which the pair of plates 2a and 2c inclined at + 45 ° relative to the axis W is supplied by an RF source of potential -N and + N respectively in points 6a and 6c.
  • the slits seem to behave like dipoles of magnetic current, and are, consequently, at the origin of a radiation.
  • the width (b) and length (a) of the orthogonal slits would then define the radiation impedance of the equivalent magnetic dipoles, just as the diameter and length of a cylindrical electric dipole determine its radiation impedance.

Abstract

Dispositif rayonnant(l), comprenant deux dipôles croisés (2), agencés pour fonctionner en large bande et en double polarisation. Chaque dipôle comprend une paire de plaques conductrices coplanaires (2a, 2c; 2b, 2d), de même géométrie en forme générale de carrés. Les deux plaques de chaque paire (2a, 2b; 2c, 2d) sont positionnées avec leurs diagonales sensiblement alignées sur un même axe d'alignement (3, 4) pour chaque paire et les axes d'alignement (3,4) des deux paires de plaques se coupent à angle droit en un point de croisement (O) situé entre les plaques de chaque paire.

Description

I
Elément rayonnant large bande à double polarisation, de forme générale carrée.
L'invention concerne les antennes et leurs éléments rayonnants.
Un élément rayonnant à double polarisation peut être formé de deux dipôles 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 dipôles 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 dipôles, d'affiner la directivité du diagramme de rayonnement de l'ensemble ainsi formé.
Selon leur orientation dans l'espace, les dipôles 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, lors de l'assemblage d'une telle structure, il est généralement difficile d'obtenir un bon découplage des voies de polarisation, par exemple de 30dB, combiné avec une bonne adaptation d'impédance des voies, par exemple un taux d'onde stationnaire à 50 Ohms inférieur à 1,5 : 1 tout en permettant un diagramme rayonné unidirectionnel d'ouverture à mi-puissance substantiellement constante dans une large bande de fréquence, par exemple 65° d'ouverture dans une bande passante de 24 %.
Il reste donc difficile d'obtenir un élément rayonnant 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.
Selon l'invention, chaque dipôle comprend une paire de plaques conductrices coplanaires, de même géométrie en forme générale de carré; les deux plaques de chaque paire sont positionnées avec leurs diagonales sensiblement alignées sur un même axe d'alignement pour chaque paire; et les axes d'alignement des deux paires de plaques se coupent à angle droit en un point de croisement situé entre les plaques de chaque dipôle.
Autrement dit, les plaques sont disposées l'une par rapport à l'autre de manière que deux sommets d'un carré d'une plaque, opposés sur une diagonale du carré, soient alignés le long d'un même axe d'alignement avec deux sommets opposés sur une diagonale du carré de l'autre plaque de la même paire.
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 est une vue de dessus d'un premier mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention,
- la figure 2 est une vue suivant la coupe AA de l'élément rayonnant de la figure 1,
- les figures 3, 4 et 5 illustrent en vue de dessus trois variantes de réalisation de l' élément rayonnant représenté aux figures 1 et 2,
- la figure 6 est une vue en perspective d'un réseau linéaire composé de plusieurs éléments rayonnants selon l'invention, et
- les figures 7a et 7b sont des vues de dessus d'un élément rayonnant selon l'invention, représenté de manière schématique, dans lesquelles sont représentés les distributions de champ électrique.
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.
La figure 1 fait apparaître un contour carré virtuel en pointillés 1, dont la longueur du côté est "a". A l'intérieur de ce carré virtuel, l'élément rayonnant représenté comporte quatre plaques rayonnantes métalliques 2a, 2b, 2c, 2d, de forme carrée, dont la longueur du côté est "c". Ces quatre plaques sont juxtaposées dans un même plan à l'intérieur du carré virtuel 1. De préférence, les plaques ont des dimensions identiques et sont séparées entre elles d'un même écart "b", avec a = 2 c + b.
Les plaques carrées 2a et 2c ont une diagonale commune, c'est à dire située sensiblement sur un même axe d'alignement 3 ; de même, les plaques 2b et 2d ont une diagonale commune, c'est à dire située sensiblement sur un même axe d'alignement 4.
Ces axes d'alignement 3, 4, qui constituent des diagonales communes à l'une et l'autre paires de plaques, se coupent à angle droit en un point de croisement "O" situé entre les plaques de chaque paire ou dipôle. Sur la figure 1, les axes d'alignement 3 et 4 forment également les diagonales du carré virtuel en pointillé 1.
Chaque paire de plaques, respectivement; 2b, 2d, est alimentée au moyen d'un symétriseur (ou balun). Ainsi, la paire de plaques 2a, 2c forme un dipôle symétrique rayonnant un champ électrique polarisé, et ceci dans un plan perpendiculaire à celui des plaques 2a, 2b, 2c, 2d, et contenant la diagonale commune 3 aux dites plaques. De même, la paire de plaques 2b, 2d forme un dipôle symétrique rayonnant un champ électrique polarisé, et ceci dans un plan perpendiculaire à celui des plaques 2a, 2b, 2c, 2d, et contenant la diagonale commune 4 aux dites plaques.
Les deux paires orthogonales de plaques engendrent ainsi deux champs électriques orthogonaux l'un à l'autre. Les plans de polarisation font un angle de +/- 45° par rapport à l'axe vertical W de la figure 1, qui passe dans l'intervalle .entre les plaques 2a, 2b d'une part, et 2c, 2d d'autre part.
Comme représenté sur la coupe de la figure 2, le plan des quatre plaques est disposé parallèlement à un réflecteur plan 5. Chacune des plaques 2a, 2b, 2c, 2d peut être montée et supportée sur le réflecteur 5 par l'intermédiaire de tubes conducteurs référencés respectivement 6a, 6b, 6c, 6d. Chaque tube est fixé à l'une de ses extrémités au réflecteur plan 5, et orienté suivant une direction générale perpendiculaire au plan des plaques et au plan du réflecteur 5.
Sur la vue en coupe de la figure 2, seules les plaques 2a, 2b et 2d ainsi que les tubes 6a, 6b, 6d sont visibles. Ces tubes 6a, 6b, 6c, 6d servent d'entretoise pour maintenir séparées les plaques 2a, 2b, 2c, 2d du réflecteur 5 ; ils assurent ou supportent également la fonction de symétriseur ou "balun" pour l'alimentation électrique des plaques.
Le réflecteur 5 permet de renvoyer par réflexion le rayonnement arrière issu des plaques. II est positionné de sorte que le rayonnement résultant global corresponde à un diagramme unidirectionnel, dirigé vers le demi-espace qui contient les plaques rayonnantes (par rapport au réflecteur).
Sur la figure 1, les extrémités des tubes conducteurs 6a, 6b, 6c, 6d en contact avec les plaques 2a, 2b, 2c, 2d sont fixées respectivement sur la portion à angle droit (ou "coin") des plaques 2a, 2b, 2c, 2d qui est située au voisinage du point de croisement "O" des axes d'alignement 3 et 4.
La paire de tubes 6a, 6c forme le symétriseur de la paire de plaques diagonalement opposées 2a, 2c. La paire de tubes 6b, 6d forme le symétriseur de la paire de plaques diagonalement opposées 2b, 2d.
Chaque symétriseur peut être vu comme une ligne bifilaire dont les extrémités hautes sont reliées électriquement respectivement aux plaques et les extrémités basses sont reliées électriquement au réflecteur 5, ainsi qu'à un point chaud d'alimentation.
Plus précisément, l'un des tubes 6b ou 6c d'un symétriseur peut être traversé par un conducteur central 7b ou 7c, dont une extrémité est connectée à la plaque diagonalement opposée 2d ou 2a, et dont l'autre extrémité est connectée au conducteur central d'un connecteur d'alimentation 8 ou éventuellement au conducteur central d'un câble coaxial non représenté dont la gaine serait soudée au réflecteur 5. Le tube 6b ou 6c forme ainsi, avec son conducteur central 7b ou 7c, une ligne coaxiale transformatrice d'impédance pour le dipôle formé par la paire de plaques connectée au symétriseur, dans chaque cas.
En outre, les deux symétriseurs orthogonaux ainsi formés par les tubes, qui servent également de support aux plaques rayonnantes, peuvent être réalisés en une seule pièce conductrice prenant la forme d'un pied supportant les plaques rayonnantes. Chaque conducteur central 7b ou 7c traversant un tube 6b ou 6c peut être de section circulaire, carrée, rectangulaire ou autre.
La section des tubes 6a, 6b, 6c, 6d des symétriseurs peut être circulaire, carrée, rectangulaire, trapézoïdale, quasi triangulaire ou d'une autre forme, de préférence sensiblement régulière. La section des tubes peut également ne pas être fermée, en étant par exemple ouverte sur un côté. L'essentiel est que les tubes puissent recevoir le conducteur central, qui peut éventuellement avoir la forme d' une bande conductrice (strip) pour permettre l'alimentation du point chaud et la transformation d'impédance. Les tubes peuvent également être remplis d' un diélectrique pour faciliter la tenue mécamque du conducteur central ou pour réaliser la longueur nécessaire du conducteur central à l'adaptation d'impédance. Par ailleurs les tubes ne recevant pas de conducteur central peuvent être creux ou plein. La dimension transverse de cette section est choisie pour réaliser une excitation convenable de la plaque concernée (celle qui reçoit l' extrémité du conducteur central concerné, 7b ou 7c), et, par symétrie de la plaque opposée sur la même diagonale 3 ou 4.
Selon un autre mode de réalisation, représenté sur la figure 3, les plaques 2a, 2b, 2c, 2d peuvent être évidées, et comporter chacune un trou 9, sensiblement de la même forme, par exemple un trou circulaire centré au point de croisement des diagonales du carré que définit chaque plaque. Ceci permet d'alléger leur poids ; et il a été observé que cela ne modifie pas sensiblement les propriétés radioélectriques des éléments rayonnants.
Une variante applicable aux modes de réalisation précédents est représentée sur la figure 4, où les éléments homologues à ceux de la figure 1 conservent les mêmes références. Dans ce cas, les quatre coins extérieurs des plaques 2a, 2b, 2c, 2d situés aux extrémités des deux axes d'alignement 3 et 4, peuvent également être coupés suivant des plans de coupe perpendiculaire aux axes d'alignement ; cette coupe est sensiblement identique sur les quatre coins pour conserver la symétrie géométrique des deux voies de polarisation.
Une autre variante non représentée, consiste à plier plus ou moins le coin de chaque plaque vers le bas ou vers le haut relativement au plan horizontal des plaques d'un certain angle "β ". De la sorte le coin plié forme un triangle isocèle de côté "w" incliné de "β " par rapport au plan des plaques ( β est compris entre -90° et +90°). Un tel agencement peut avoir un intérêt dans des réseaux denses d'éléments rayonnants pour améliorer le couplage mutuel entre deux éléments adjacents.
La profondeur w de la coupe représentée sur la figure 4 ou de la pliure de la variante de réalisation énoncée ci-dessus, mesurée le long d'un côté de longueur "c" du carré d'une plaque depuis son angle au sommet, peut dans ces configurations être au plus égale à la longueur du côté " c " du carré, réduisant ce dernier à la forme d'un triangle, sans que le bon fonctionnement de l'élément rayonnant n'en soit notablement altéré.
Selon une autre variante représentée à la figure 5, il est aussi possible de combiner les formes de réalisation des plaques 2a, 2b, 2c, 2d des figures 3 et 4 pour réaliser un élément rayonnant en forme de "croix de Malte. Dans ce mode de réalisation les plaques 2a, 2b, 2c, 2d sont percées d'un trou circulaire 9 et les coins extérieurs situés sur les axes d'alignement sont tronqués.
Ainsi, on diminue le poids de l'élément rayonnant, sans que les caractéristiques de l'élément rayonnant s'en trouvent notablement dégradées.
Sur la figure 6, plusieurs éléments rayonnants de l'un des types décrits en référence aux figures 1 à 4 sont alignés au dessus d'un réflecteur commun 5, pour former un réseau d'antennes. Dans cette configuration, les axes d'alignement 3 et 4 des plaques rayonnantes des dipôles sont inclinées d'un angle égal à ± 45° par rapport à l'axe longitudinal w' du réflecteur 5. D ' autres alignements sont envisageables, selon les besoins. On peut également envisager de mélanger différents types d'éléments rayonnants.
Pour un grand nombre d'applications, notamment où il est recherché des diagrammes directifs à ouverture à mi-puissance autour de 65° dans le plan horizontal comme c'est le cas des antennes des stations de base de type GSM ou UMTS, le domaine de variation des dimensions principales "a" et "h" peut être le suivant: 0,35 λ < a < 0,6 λ
0,14 λ < h < 0,28 λ où λ est la longueur d'onde correspondant à la fréquence de fonctionnement de l'élément rayonnant. L'écartement entre les plaques "b" est typiquement de quelques millimètres ou de quelques centièmes de la dimension "a".
Des éléments rayonnants réalisés conformément à ceux de l'invention décrits précédemment et fonctionnant dans la bande de fréquences GSM900 et dans les bandes de fréquences GSM1800 et UMTS réunies ont permis d'obtenir, entre les deux voies orthogonales:
- une isolation supérieure à 30dB,
- un taux d'onde stationnaire à 50 Ohms inférieur à 1,5:1,
- un gain de l'élément rayonnant voisin de 9dBi pour des ouvertures à mi-puissance du diagramme de rayonnement proches de 65°,
- un taux de polarisation croisé proche de 28dB dans l'ouverture à mi-puissance du diagramme de rayonnement.
L'usage de plaques rayonnantes à profils carrés a différents avantages, qui peuvent être considérés indépendamment :
- possibilité d'une simplification sensible du dispositif d'alimentation des dipôles,
- encombrement réduit de l'élément rayonnant,
- performances étonnantes.
- possibilité de fabriquer par surmoulage par exemple, les plaques et les symétriseurs d'une seule et même pièce.
Comme on l'a vu, l'élément rayonnant est particulièrement bien adapté à la réalisation d'antennes de stations de base pour les réseaux cellulaires de radiocommunication tels que le GSM900 (870 à 960 MHz), le GSM1800 (1710 à 1880 MHz) ou le nouveau système UMTS (1920 à 2170 MHz) pour lesquels les liaisons avec les mobiles doivent se faire suivant deux polarisations orthogonales inclinées de ± 45° par rapport à la verticale.
Cependant, l'élément rayonnant selon l'invention peut être utilisé pour d'autres applications et d'autres bandes de fréquence nécessitant par exemple d'émettre et de recevoir des ondes électromagnétiques à polarisation circulaire droite ou gauche en combinant les deux voies de polarisation orthogonales en quadrature de phase.
On peut également constituer un réseau plan, c'est à dire bi-directionnel, avec les éléments rayonnants décrits ci dessus. Dans ce cas les éléments rayonnants sont alignés horizontalement selon un pas déterminé et verticalement avec un autre pas déterminé. Par exemple, un sous réseau de deux éléments horizontaux associés en parallèle à égalité d'alimentation permet une ouverture à -3dB de 29° environ dans le plan horizontal pour un pas de 0,9λ, où λ est la longueur d'onde fonctionnemen . Un alignement vertical uniforme de 8 de tels sous réseaux permet une ouverture de 7° environ dans le plan vertical avec le même pas de 0,9λ; le réseau global ainsi formé possède un gain théorique de 22,5 dBi environ.
Il est également possible de réaliser les plaques rayonnantes par gravure sur un support diélectrique de faible épaisseur, par exemple de type "Nerre-Téflon" ou "Duroïd". Cette technologie imprimée trouvera en particulier son application aux hautes fréquences allant de 5 Ghz à 24 GHz.
La Demanderesse s'est intéressée au mode de fonctionnement des éléments rayonnants proposés, qui obéissent bien entendu aux lois de l'électro-magnétisme. Il semble résulter des études et expérimentations menées à ce jour que les propriétés rayonnantes observées soient dues essentiellement aux fentes radiales séparant les plaques, tandis que les bords périphériques externes de celles-ci jouent peu ou pas du tout. C'est ce qu'on verra maintenant en référence aux figures 7a et 7b.
La figure 7a est un schéma d'un élément rayonnant selon l'invention dans lequel la paire de plaques 2b et 2d inclinée à -45° par rapport à l'axe W est alimentée par une source RF de potentiel -N et +N respectivement aux points 6b et 6d.
La figure 7b est un schéma d'un élément rayonnant selon l'invention dans lequel la paire de plaques 2a et 2c inclinée à +45° par rapport à l'axe W est alimentée par une source RF de potentiel -N et +N respectivement aux points 6a et 6c.
Les bords intérieurs de deux plaques adjacentes, par exemple 2a et 2b, forment une fente, par exemple F4, dont la largeur est définie par l'écartement b des plaques. Lorsque les plaques de chaque paire sont alimentées par une source RF de potentiel, comme représenté par les figures 7a et 7b, l'expérience suggère qu'il se crée une distribution de courant le long des bords intérieurs des plaques et un champ électrique (représenté par les petites flèches) dans les fentes, perpendiculairement à leurs bords. Plus précisément, le long des deux fentes colinéaires verticales FI et F2, le champ électrique serait polarisé horizontalement et le long des deux fentes colinéaires horizontales, F3 et F4, le champ électrique serait polarisé verticalement. Par suite, il en résulterait deux distributions de champ électrique égales et orthogonales à tout instant, engendrant un champ électrique résultant E^,5 dans le cas de la figure 7a et un champ électrique résultant E+45 dans le cas de la figure 7b.
Ainsi, les fentes semblent se comporter comme des dipôles de courant magnétique, et être, par suite, à l'origine d'un rayonnement. La largeur (b) et la longueur (a) des fentes orthogonales définiraient alors l'impédance de rayonnement des dipôles magnétiques équivalents, tout comme le diamètre et la longueur d'un dipôle électrique cylindrique déterminent son impédance de rayonnement.
En outre, les résultats expérimentaux indique que le découplage entre les deux paires de plaques est important, et ce dans une très large bande de fréquence.
Dans la description ci-dessus, il est apparu que l'on peut, au moins dans certains cas, évider les plaques vers l'intérieur du côté de leurs coins les plus externes, comme illustré en pointillés dans les figures 7a et 7b, tout en conservant de bonnes propriétés, en ce qui concerne l'impédance, le découplage entre les deux paires de plaques et le rayonnement de la structure. Ceci peut s'expliquer par le fait que les éventuels courants qui circulent le long des bords extérieurs EH, GF, EG et HF des plaques semblent très faibles, sinon nuls, au voisinage des coins extérieurs F, G, H et E des plaques.
On peut en déduire que les bords périphériques externes des plaques ne rayonnent pratiquement pas.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-avant, mais elle englobe toutes les variantes de réalisation que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

Revendications
1. Dispositif rayonnant(l), comprenant deux dipôles croisés (2), agencés pour fonctionner en large bande et en double polarisation, caractérisé en ce que chaque dipôle comprend une paire de plaques conductrices coplanaires (2a, 2c; 2b, 2d), de même géométrie en forme générale de carrés, les deux plaques de chaque paire (2a, 2b; 2c, 2d) étant positionnées avec leurs diagonales sensiblement alignées sur un même axe d'alignement (3, 4) pour chaque paire, et en ce que les axes d'alignement (3,4) des deux paires de plaques se coupent à angle droit en un point de croisement (O) situé entre les plaques de chaque paire.
2. Dispositif rayonnant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques (2a, 2c; 2b, 2d) des deux paires ont des surfaces sensiblement identiques et sont disposées adjacentes l'une par rapport à l'autre en étant inscrites à l'intérieur d'un carré dont chaque côté "a" contient deux côtés en alignement de deux plaques adjacentes des deux paires.
3. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque paire de plaques est alimentée entre les deux extrémités des plaques situées à proximité du point de croisement par un symétriseur comprenant deux tubes (6a, 6c; 6b, 6d) formant ligne bifilaire de type "Balun".
4. Dispositif rayonnant selon la revendication 3, caractérisé en ce que les plaques sont fixées à un réflecteur (5) par l'intermédiaire desdits tubes (6a, 6b, 6c, 6d).
5. Dispositif rayonnant selon la revendication 4, caractérisé en ce que les extrémités des tubes formant ligne bifilaire sont reliées électriquement au réflecteur (5) et aux extrémités des plaques (2a, 2b, 2c, 2d) situées à proximité du point de croisement "O" des axes d'alignement des deux paires de plaques, et en ce que l'un des tubes (6b, 6c) de chaque symétriseur est traversé par un conducteur central (7b,7c) dont une extrémité est connectée à une plaque (2d, 2a) .
6. Dispositif rayonnant selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'autre extrémité du conducteur central (7b,7c) est connectée au conducteur central d'un connecteur coaxial d'alimentation (8) monté sur le réflecteur (5).
7. Dispositif rayonnant selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'autre extrémité du conducteur central (7b, 7c) est connectée au conducteur central d'un câble coaxial monté sur le réflecteur (5).
8. Dispositif rayonnant selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les symétriseurs (6a, 6b, 6c, 6d) sont réalisées en une seule pièce formant un pied de support pour les plaques rayonnantes.
9. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que les sections des tubes des symétriseurs (6a, 6b, 6c, 6d) sont au moins en partie circulaires.
10. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 3 à 8 caractérisé en ce que les sections des tubes (6a, 6b, 6c, 6d) sont au moins en partie rectangulaires.
11. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les plaques rayonnantes (2a, 2b, 2c, 2d) sont intérieurement évidées (9).
12. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les quatre coins extérieurs des plaques rayonnantes (2a, 2b, 2c, 2d) situés sur les axes d'alignements sont tronqués.
13. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les quatre coins extérieurs des plaques rayonnantes (2a, 2b, 2c, 2d) sont plies d' un angle déterminé relativement au plan des plaques.
14. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les plaques rayonnantes (2a, 2b, 2c, 2d) assemblées réalisent un motif en forme de "croix de Malte".
15. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la longueur "a" du côté du carré formé par les côtés des carrés de deux plaques rayonnantes adjacentes est comprise approximativement entre 0,35 λ et 0,6 λ, et en ce que les plaques rayonnantes sont situées à une distance "h" du réflecteur (5) comprise approximativement entre 0,14 λ et 0,28 λ, où λ est la longueur d'onde de travail.
16. Dispositif rayonnant, formant antenne-réseau, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs éléments rayonnants (1) selon l'une des revendications 1 à 15, placés alignés sur un même réflecteur (5), et disposés de façon que les axes d'alignement (3,4) des plaques rayonnantes 2a, 2b, 2c, 2d) de chaque dipôle soient inclinés de ± 45 "relativement à l'axe d'alignement (W).
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