WO2004006386A1 - Dispositif rayonnant bi-bande a polarisations coplanaires - Google Patents

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WO2004006386A1
WO2004006386A1 PCT/FR2003/001996 FR0301996W WO2004006386A1 WO 2004006386 A1 WO2004006386 A1 WO 2004006386A1 FR 0301996 W FR0301996 W FR 0301996W WO 2004006386 A1 WO2004006386 A1 WO 2004006386A1
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Mostafa Jelloul
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Jacquelot
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285—Planar dipole
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
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    • H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration

Definitions

  • Dual-band radiating device with coplanar polarizations Dual-band radiating device with coplanar polarizations.
  • the invention relates to antennas and their radiating elements.
  • Bi-band radiating elements with reduced bulk are known in the form of "patch" antennas with superposed radiating plates emitting on two different frequencies in parallel or orthogonal polarization planes.
  • this type of radiating element the decoupling between two parallel polarized transmission channels is far from reaching the minimum value of 20 to 30 dB, required for example for GSM and UMTS cellular radio networks.
  • the invention aims to improve the situation.
  • a radiating device which comprises a first radiating element operating in a first frequency band FI and a second radiating element operating in a second frequency band F2, the two radiating elements each having one channel or two orthogonal channels of polarization.
  • the first radiating element comprises a half-wave "patch" antenna comprising a radiating plate of generally rectangular shape.
  • the second radiating element can comprise at least one dipole comprising two radiating strands arranged in a plane of polarization of the radiating plate and oriented parallel to the plane of the radiating plate.
  • the first radiating element and the strands of the dipole forming the second radiating element are arranged parallel to a ground plane also forming a reflector.
  • Figure 1 a first embodiment of a radiating device according to the invention.
  • FIG. 2 a view along section AA of the radiating device of FIG. 1.
  • FIG. 3 a view along section BB of the radiating device of FIG. 1.
  • FIG. 4 a perspective view of the radiating device of FIG. 1.
  • FIG. 5 a second embodiment of a radiating device according to the invention.
  • FIG. 6 a view along section BB of the radiating device of FIG. 5.
  • FIG. 7 a third embodiment of a radiating device according to the invention.
  • FIG. 8 a perspective view of the radiating device of FIG. 7.
  • Figures 9 and 10 respectively perspective and top views of a fourth embodiment of a radiating device according to the invention.
  • FIGS. 1 to 3 in which the homologous elements are represented with the same references.
  • the radiating device comprises a first radiating element 1 of a type known by the Anglo-Saxon designation "patch” (or “block”) operating in a first frequency band near a nominal frequency FI, and a second radiating element 2 of dipole type surmounting the first, operating in a second frequency band in the vicinity of a nominal frequency F2 greater than the frequency FI.
  • the two frequencies nominal are in an F2 / F1 ratio at least equal to 1.5, preferably substantially greater.
  • the radiating elements 1 and 2 radiate two electric fields polarized vertically, that is to say in the vertical plane containing the line w 'of FIG. 1.
  • the radiating element 1 comprises two superimposed conducting radiating plates 3 and 4 which form, with a ground conducting plane 5 having the role of reflector, a double resonator.
  • the lower plate 3 forms with the ground plane 5 a first resonator which is excited by an inductive coaxial probe or a coaxial cable 6 and the upper plate 4 forms with the lower plate 3 a second resonator which is excited by the lower plate 3 by Capacitive coupling.
  • This is similar to the known principle of "patch" antennas with a wide band.
  • a radiating plate 4 is superimposed on the lower radiating plate 3; the two plates are of approximately equal dimensions, arranged parallel to each other, and in the same general direction; one of the two plates is directly excited; the other is excited by coupling with the first.
  • the lower radiating plate 3 is excited in the fundamental mode around its half-wave resonance.
  • a neutral potential line appears in the middle of each of the plates. We can then use these neutral potential lines to pass through these two lines, or in their immediate vicinity, fixing and / or supply elements of the dipole forming the second radiating element.
  • the excitation of the first resonator described by an inductive coxial probe, can also be done with a capacitive coaxial probe, or even by a slit practiced on the reflector 5, and a printed micro ribbon line placed behind the reflector 5 which constitutes the ground plane.
  • the excitation mode of the first resonator it is advisable to locate the excitation point of the first resonator on the line VV of symmetry of the lower plate 3 and to position it relative to one of the edges of the plate. so as to adapt the impedance of the "patch" to the impedance of the supply line which is generally 50 Ohms.
  • the "patch” is excited in the fundamental mode around the half-wave resonance (known as the TM01 mode) so that the respective lengths A and B of the plates 3 and 4, measured in the direction of the vertical axis VV, are close to the half wavelength of the wave which propagates in the dielectric substrate making up the "patch", this substrate advantageously being air, or with a dielectric constant close to 1, for a greater bandwidth.
  • the TM01 mode the fundamental mode around the half-wave resonance
  • the horizontal line nn ′ of symmetry of the lower plate 3 constitutes a neutral line: all the points of this line are at the same potential as that of the ground plane 5 constituting the reflector. It is the same for the horizontal line nn ′ of symmetry of the upper plate 4.
  • This characteristic which is linked to the mode of excitation of the "patch” is used according to the invention to electrically connect the two lines mm 'and nn' to the ground plane 5 by conductive pins and arrange the radiating element 2 at above the "patch” which does not affect the proper functioning of the "patch".
  • the radiating element 2 comprises two radiating conductive strands 7 and 8 electrically connected to a balun 9 of a type known under the designation "balun".
  • the dipole thus formed is similar to the so-called “symmetrical half-wave” or even "half-wave doublet” type.
  • the balun 9 serves as a support for the radiating strands 7 and 8. These are arranged vertically in the direction of the axis VV, at a determined height H of the upper plate 4 of the "patch", in order to radiate a polarized electromagnetic field vertically in the same plane as that radiated by the "patch", ie the vertical plane containing the line VV.
  • the upper plate 4 of the "patch” serves as the main reflector for the dipole formed by the strands 7 and 8, so that the radiation from the dipole is unidirectional.
  • the height H is close to a quarter of the wavelength of the frequency F2; but this height can be adjusted as a function of the desired half-power opening in the frequency band F2 of the dipole.
  • the two conductive feet 9a and 9b of the balun 9 form together a two-wire line which is arranged horizontally, in the plane of the neutral lines mm 'and nn' of the "patch", preferably symmetrically with respect to the vertical axis of symmetry VV.
  • the two feet 9a, 9b cross the plates 3 and 4 perpendicularly until they come into electrical contact with the reflector 5. This crossing is preferably carried out with electrical contact with the plates 3 and 4.
  • the advantage of a crossing with contact is the earthing of the two radiating plates 3 and 4, which makes it possible to improve the operating stability of the "patch” and to flow the electrostatic charges towards the ground plane forming the reflector 5.
  • One of the feet 9a of the balun 9 is constituted by a tube traversed throughout its length by a central conductor 10, which forms with the tube a coaxial line for the excitation of the strands 7 and 8 of the dipole constituting the radiating element 2
  • One of the strands, for example 7 is connected to one end of the central conductor 10 and the other strand 8 is connected to the corresponding end of the tube 9a.
  • the end of the central conductor 10 opposite to that connected to a strand of the dipole 2 is connected to the central conductor of a coaxial connector 11 fixed to the end of the tube 9a passing through the reflector 5 or to the central conductor of a coaxial cable 11 whose sheath is electrically connected to the ground plane forming the reflector 5.
  • the coaxial line thus formed serves as a dipole impedance transformer to bring it down to a standard value of 50 Ohms, for example.
  • the cross section of the tube 9a can take different forms and can be, for example, circular, square or rectangular. It is also possible to envisage other embodiments of baluns 9 of the "balun" type with non-tubular feet, as is known from the state of the art.
  • the diameter of the straight sections of the feet 9a and 9b can be chosen to be short in front of the wavelength at the frequencies F2, for example less than ⁇ / 20.
  • the strands of the dipole constituting the second radiating element are connected to a balun type balun formed by two parallel conductive rods, arranged in the plane formed by the two neutral lines of symmetry of the plates and passing perpendicularly through the plates, the plane formed by the two rods being perpendicular to the plane of the electric field radiated by the first radiating element.
  • the two parallel conductive rods form a plane perpendicular to the plane formed by the two neutral lines of symmetry of the plates and are arranged on either side and close to them, crossing the plates perpendicularly to the plates, the plane formed by the two rods being parallel to the plane of the electric field radiated by the first radiating element.
  • the supply and the impedance adaptation of the dipole to the transmission / reception circuits are obtained by crossing along its longitudinal axis one of the rods of the balun carrying a first strand of the dipole, by an impedance transformer conductor, one of which end is connected to the end of the second strand of the dipole and the other end is connected to the central core of a connector or a coaxial cable whose sheath is electrically connected to the ground plane forming a reflector, while the Another rod of the balun carrying the second strand of the dipole is connected to the ground plane forming the refector.
  • the rods of the balun can be in electrical contact with the radiating plates which it passes through and with the ground plane forming the reflector.
  • the first radiating element comprises a first radiating plate and a second lower radiating plate in the form of a square of roughly equal dimensions, excited on two lines of symmetry of the "patch" respectively parallel to the adjacent sides of the squares formed by the plates to generate two orthogonal polarized waves of the same frequency FI
  • the second radiating element comprises a second dipole oriented perpendicular to the first dipole and fed by a second balun type balun to generate two waves with orthogonal polarizations according to a second frequency F2 whose fields electric radii are respectively coplanar with those radiated by the first radiating element.
  • the radiating elements 1 and 2 are supported by the reflector 5.
  • the width of the reflector 5 is greater than the width of the "patch" forming the radiating element 1.
  • the reflector 5 can be bordered by walls 5a and 5b of determined height as illustrated in FIG. 2.
  • the width of the reflector 5 and the height of the walls 5a and 5b are adjustable parameters which depend on the applications. By reflection and diffraction, these parameters have the effect of widening or narrowing the aperture at half power of the radiation patterns.
  • n n ′ It is possible to provide two conductive connecting tongues 12 and 13 to the ground plane of the reflector 5 connected on the edges of the bottom plate 3 and in the plane of symmetry mm ′, n n ′.
  • the width of these metal bands can be chosen to be smaller than the wavelength, for example less than one thirtieth of the wavelength of the frequency wave F 1. It has been found that this improves the adaptation of the impedance of the "patch"; this also stabilizes its functioning with respect to climatic variations; finally, this limits the neighborhood couplings in the case of a network composed of several radiating elements, which can then be located closer to each other.
  • the decoupling between the channels of two radiating elements 1 and 2 can be very high, typically 30dB and more if the frequency FI close to the nominal frequency of the "patch" is sufficiently far from the nominal frequency F2 of the dipole.
  • the feet 9a and 9b of the balun of the radiating element 2 pass through the plates 3 and 4 of the "patch" forming the first radiating element in the vertical plane of symmetry VV, and the strands 7 and 8 of the dipole forming the second radiating element are oriented in this plane.
  • the decoupling in the frequency band FI between the channels of the two radiating elements is typically 20 dB, therefore less favorable compared to the configuration of FIGS. 1 to 3 for which the decoupling is typically 30 dB.
  • this less favorable decoupling is due to the appearance of a potential difference between the feet of the balun, at the operating frequency FI of the first radiating element 1. This comes from the fact that the vertical line VV is not a neutral line of the radiating element 1 and that the potential on its upper half is equal and opposite to the potential on its lower half with respect to the neutral line nn '.
  • the decoupling of the two channels in the frequency band F2 is of the same order of magnitude typically 30 dB as that of the configuration of FIGS. 1 to 3.
  • the embodiments described above relate to dual-band radiating devices whose polarization is vertical linear in two frequency bands FI and F2.
  • the "patch" constituting the first radiating element 1 has the form of a square "patch” with two superimposed plates 3 and 4.
  • the two polarization paths are obtained by exciting the bottom plate 3 of the embodiment of FIG. 7 by two probes 14 and 15 placed on two orthogonal lines of symmetry xx 'and yy' of the "patch” respectively parallel to the sides of the square of the plates 3 and 4 and oriented +/- 45 ° relative to the direction of the vertical axis VV or as shown in the embodiment of Figure 10, by exciting the lower plate 3 by two probes 14 and 15 placed on the diagonals of the "patch".
  • the second radiating element 2 is formed by two orthogonal dipoles 16 and 17 which surmount the first radiating element 1.
  • the two dipoles radiate two waves of frequency F2> 1.5 FI with orthogonal polarizations inclined by +/- 45 ° relative to l 'VV axis.
  • the radiating strands 16a, 16b; 17a, 17b of the dipoles 16 and 17 are parallel to the lines of symmetry xx 'and yy' of the "patch" and inclined by +/- 45 ° relative to the vertical axis VV.
  • the radiating strands of the dipoles 16 and 17 are parallel to the diagonals of the "patch".
  • a reflector 5 with optional walls 5 a and 5 b supports all of the radiating elements 1 and 2.
  • the first radiating element and the second radiating element are oriented in space to respectively radiate two waves with orthogonal polarizations inclined by +/- 45 ° relative to the vertical.
  • the role of the antennas is to transmit and / or receive information or data transmitted between base stations and mobiles subscribed to the network. How these antennas are made depends on the geographic area covered and the quality of reception of the information circulating inside the elementary cells of the networks.
  • the invention has the advantage that it allows in particular the production of dual-band directional networks comprising several radiating devices and enjoying good inter-band insulation.
  • the invention provides a radiating device having two supply channels, each operating in a separate frequency band, the two frequency bands being in a ratio greater than 1.5.
  • the polarizations can be coplanar and / or orthogonal in the two frequency bands.
  • the invention can also provide a radiating device operating in two different frequency bands enjoying a strong decoupling between the two frequency channels.
  • each channel can radiate according to a unidirectional diagram whose opening at half power in the horizontal plane is close to 90 °.
  • the decoupling obtained between two frequency channels FI and F2 is greater than 30dB for the embodiment illustrated by the figures 1 to 3; it is 20 dB in the embodiment of FIGS. 5 to 6.
  • the standing wave ratio with respect to 50 Ohms is less than 1.7: 1 in the GSM band and less than 1.5: 1 in the GSM1800 band or UMTS.
  • the half-power openings of the radiation patterns are close to 90 ° in the two frequency bands.
  • the radiating device is particularly well suited to the production of antennas of base stations with reduced congestion for cellular radiocommunication networks such as those known under the designations GSM900 (870 to 970 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 one or two orthogonal polarizations, identical for all the frequency bands. For example, for suburban areas the requested polarization is vertical, while for urban areas two orthogonal polarizations inclined by +/- 45 ° with respect to the vertical are requested.
  • the decoupling obtained in the IF band between the frequency channels FI (GSM900) and F2 (GSM1800 + UMTS) is greater than 30dB for the channels at parallel polarization (coplanar) and greater than 25dB for orthogonal polarization channels.
  • this decoupling is greater than 30dB for the parallel polarization channels as for the perpendicular polarization channels.
  • the half-power openings are close to 65 ° in the IF band and close to 90 ° in the F2 band.
  • the decoupling obtained in the IF band between the frequency channels FI (GSM900) and F2 (GSM 1800 + UMTS) is greater than 23dB for the channels with parallel polarization (coplanar) and greater than 40dB for orthogonal polarization channels.
  • this decoupling is greater than 30dB for the channels with parallel polarizations and 40dB for the channels with perpendicular polarizations.
  • the half-power openings are close to 65 ° in the IF band and close to 90 ° in the F2 band.
  • Base station antennas must therefore integrate two or even three frequency bands, transmit and receive in these frequency bands with identical polarizations and a high level of decoupling between these frequency bands.
  • the radiating device according to the invention can be used for other applications and other frequency bands requiring two channels with identical polarizations and distinct frequencies.

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Abstract

Le dispositif rayonnant comprend un premier élément rayonnant (1) fonctionnant dans une première bande de fréquence F1 et un deuxième élément rayonnant (2) fonctionnant dans une deuxième bande de fréquence F2. Le premier élément rayonnant (1) est formé par une antenne 'patch' demi-onde comportant une plaque rayonnante rectangulaire (4). Le deuxième élément rayonnant (2) est formé par au moins un dipôle comportant deux brins rayonnants (7) et (8) disposés parallèlement à la direction du champ électrique rayonné par la dite plaque rayonnante (4). Application: Réseaux de radiocommunication cellulaires.

Description

jacquel2.frd.wpd
Dispositif rayonnant bi-bande à polarisations coplanaires.
L'invention concerne les antennes et leurs éléments rayonnants.
Dans certaines applications, comme les stations de base des réseaux de radiocommunication cellulaires, il est souhaitable de disposer d'éléments rayonnants de faible encombrement, bi-bande, et capable de travailler, dans chaque bande, sur deux polarisations parallèles ou orthogonales, pour les raisons développées plus loin.
On connaît des éléments rayonnants bi-bande à encombrement réduit sous la forme d'antennes "patch" à plaques rayonnantes superposées émettant sur deux fréquences différentes dans des plans de polarisation parallèles ou orthogonaux. Cependant, avec ce type d'éléments rayonnants, le découplage entre deux voies de transmission à polarisation parallèle est loin d'atteindre la valeur minimale de 20 à 30 dB, requise par exemple pour les réseaux de radiocommunication cellulaires GSM et UMTS.
Il est en général difficile d'obtenir des découplages aussi élevés lorsque les polarisations sont coplanaires.
L'invention a pour but d'améliorer la situation.
A cet effet, on prévoit un dispositif rayonnant qui comprend un premier élément rayonnant fonctionnant dans une première bande de fréquence FI et un deuxième élément rayonnant fonctionnant dans une deuxième bande de fréquence F2, les deux éléments rayonnants ayant chacun une voie ou deux voies orthogonales de polarisation.
Selon un autre aspect de l'invention, le premier élément rayonnant comprend une antenne "patch" demi-onde comportant une plaque rayonnante de forme générale rectangulaire. Le deuxième élément rayonnant peut comprendre au moins un dipôle comportant deux brins rayonnants disposés dans un plan de polarisation de la plaque rayonnante et orientés parallèlement au plan de la plaque rayonnante. Le premier élément rayonnant et les brins du dipôle formant le deuxième élément rayonnant sont disposés parallèlement à un plan de masse formant également réflecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent:
La figure 1, un premier mode de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention.
La figure 2,une vue suivant la coupe AA du dispositif rayonnant de la figure 1.
La figure 3, une vue suivant la coupe BB du dispositif rayonnant de la figure 1.
La figure 4, une vue en perspective du dispositif rayonnant de la figure 1.
La figure 5, un deuxième mode de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention.
La figure 6, une vue suivant la coupe BB du dispositif rayonnant de la figure 5.
La figure 7, un troisième mode de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention;
La figure 8, une vue en perspective du dispositif rayonnant de la figure 7.
Les figures 9 et 10, des vues respectivement en perspective et de dessus d'un quatrième mode de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention.
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, le cas échéant.
Il est fait référence aux figures 1 à 3, sur lesquelles les éléments homologues sont représentés avec les mêmes références.
Le dispositif rayonnant comprend un premier élément rayonnant 1 de type connu sous la désignation anglo-saxonne "patch" (ou"pavé") opérant dans une première bande de fréquence au voisinage d'une fréquence nominale FI, et un deuxième élément rayonnant 2 de type dipôle surmontant le premier, opérant dans une deuxième bande de fréquence au voisinage d'une fréquence nominale F2 supérieure à la fréquence FI. Les deux fréquences nominales sont dans un rapport F2/F1 au moins égal à 1,5, de préférence sensiblement supérieur.
Dans l'exemple décrit, les éléments rayonnants 1 et 2 rayonnent deux champs électriques polarisés verticalement c'est à dire dans le plan vertical contenant la ligne w' de la figure 1.
Plus précisément, l'élément rayonnant 1 comporte deux plaques rayonnantes conductrices 3 et 4 superposées qui forment, avec un plan conducteur de masse 5 ayant le rôle de réflecteur, un double résonateur. La plaque inférieure 3 forme avec le plan de masse 5 un premier résonateur qui est excité par une sonde coaxiale inductive ou un câble coaxiale 6 et la plaque supérieure 4 forme avec la plaque inférieure 3 un second résonateur qui est excité par la plaque inférieure 3 par couplage capacitif. Ceci s'apparente au principe connu des antennes "patch" à bande élargie.
Plus généralement, pour permettre un élargissement de la bande de fréquence rayonnée par le premier élément rayonnant 1, une plaque rayonnante 4 est superposée à la plaque rayonnante inférieure 3; les deux plaques sont de dimensions à peu près égales, disposées parallèlement l'une à l'autre, et dans la même direction générale; l'une des deux plaques est excitée directement; l'autre est excitée par couplage avec la première.
Ici, la plaque rayonnante inférieure 3 est excitée dans le mode fondamental autour de sa résonance demi-onde. Il apparaît au milieu de chacune des plaques une ligne de potentiel neutre. On peut alors utiliser ces lignes de potentiel neutre pour faire passer par ces deux lignes, ou à leur voisinage immédiat, des éléments de fixation et/ou d'alimentation du dipôle formant le deuxième élément rayonnant.
D'autres moyens pour obtenir ces lignes neutres peuvent être utilisés. En effet, selon d'autres modes de mise en oeuvre de l'invention, non représentés, l'excitation du premier résonateur, décrite par une sonde coxiale inductive, peut aussi se faire avec une sonde coaxiale capacitive, ou encore par une fente pratiquée sur le réflecteur 5, et une ligne imprimée micro ruban placée derrière le réflecteur 5 qui en constitue le plan de masse. Quel que soit le mode d'excitation du premier résonateur il est conseillé de situer le point d'excitation du premier résonateur sur la ligne VV de symétrie de la plaque inférieure 3 et de le positionner par rapport à l'un des bords de la plaque de façon à adapter l'impédance du "patch" à l'impédance de la ligne d'alimentation qui est généralement 50 Ohms.
Le fait de mettre en œuvre un double "patch"(deux résonateurs)permet d'obtenir une bande passante relative d'environ 10% autour de la fréquence nominale FI, alors qu'elle ne serait que d'environ 2% avec un "patch" ne contenant qu'un seul résonateur, ceci pour un rapport d'onde stationnaire à 50 Ohms inférieur à 2:1.
Autrement dit, et selon un aspect de l'invention, le "patch" est excité dans le mode fondamental autour de la résonance demi-onde (connu sous le nom de mode TM01) de sorte que les longueurs respectives A et B, des plaques 3 et 4, mesurées dans la direction de l'axe vertical VV, sont voisines de la demi longueur d'onde de l'onde qui se propage dans le substrat diélectrique composant le "patch", ce substrat étant avantageusement de l'air, ou de constante diélectrique voisine de 1 , pour une plus grande largeur de bande.
Dans ces conditions, la ligne horizontale nn' de symétrie de la plaque inférieure 3 constitue une ligne neutre: tous les points de cette ligne sont au même potentiel que celui du plan de masse 5 constituant le réflecteur. Il en est de même de la ligne horizontale nn'de symétrie de la plaque supérieure 4.
Cette caractéristique qui est liée au mode d'excitation du "patch" est mise à profit selon l'invention pour relier électriquement les deux lignes mm' et nn' au plan de masse 5 par des pions conducteurs et disposer l'élément rayonnant 2 au dessus du "patch" ce qui n'altère en rien le bon fonctionnement du "patch".
De son côté, l'élément rayonnant 2 comporte deux brins rayonnants conducteurs 7 et 8 électriquement connectés à un symétriseur 9 de type connu sous la désignation "balun". Le dipôle ainsi formé s'apparente au type dit "demi-onde symétrique" ou encore "doublet demi-onde". Le symétriseur 9 sert de support aux brins rayonnant 7 et 8. Ceux-ci sont disposés verticalement selon la direction de l'axe VV, à une hauteur déterminée H de la plaque supérieure 4 du "patch", afin de rayonner un champ électromagnétique polarisé verticalement dans le même plan que celui rayonné par le "patch", c'est à dire le plan vertical contenant la ligne VV.
La plaque supérieure 4 du "patch" sert de réflecteur principal au dipôle formé des brins 7 et 8, de sorte que le rayonnement du dipôle est unidirectionnel. Typiquement, la hauteur H est proche du quart de la longueur d'onde de la fréquence F2; mais cette hauteur pourra être ajustée en fonction de l'ouverture à mi -puissance souhaitée dans la bande de fréquence F2 du dipôle.
Les deux pieds conducteurs 9a et 9b du symétriseur 9 forment ensemble une ligne bifilaire qui est disposée horizontalement, dans le plan des lignes neutres mm' et nn' du "patch", de préférence de façon symétrique par rapport à l'axe de symétrie vertical VV. Les deux pieds 9a, 9b traversent les plaques 3 et 4 perpendiculairement jusqu'à venir en contact électrique avec le réflecteur 5. Cette traversée est réalisée de préférence avec contact électrique avec les plaques 3 et 4. L'avantage d'une traversée avec contact est la mise à la masse des deux plaques rayonnantes 3 et 4, ce qui permet d'améliorer la stabilité de fonctionnement du "patch" et d'écouler les charges électrostatiques vers le plan de masse formant le réflecteur 5.
L' un des pieds 9a du symétriseur 9 est constitué par un tube traversé dans toute sa longueur par un conducteur central 10, qui forme avec le tube une ligne coaxiale pour l'excitation des brins 7 et 8 du dipôle constituant l'élément rayonnant 2. L'un des brins, par exemple 7, est relié à une extrémité du conducteur central 10 et l'autre brin 8 est relié à l'extrémité correspondante du tube 9a. L'extrémité du conducteur central 10 opposée à celle reliée à un brin du dipôle 2 est reliée au conducteur central d'un connecteur coaxial 11 fixé à l'extrémité du tube 9a traversant le réflecteur 5 ou au conducteur central d'un câble coaxiale 11 dont la gaine est reliée électriquement au plan de masse formant le réflecteur 5. La ligne coaxiale ainsi formée sert de transformateur d'impédance du dipôle pour ramener celle ci à une valeur standard de 50 Ohms, par exemple. La section droite du tube 9a peut revêtir différentes formes et peut être par exemple, circulaire, carrée ou rectangulaire. Il est également possible d'envisager d'autres formes de réalisation de symétriseur 9 de type "balun" à pieds non tubulaires comme cela est connu de l'état de la technique. Par exemple, le diamètre des sections droites des pieds 9a et 9b peut être choisi court devant la longueur d'onde aux fréquences F2, par exemple inférieur à λ/20. Autrement dit, selon un premier mode de réalisation, les brins du dipôle constituant le deuxième élément rayonnant sont connectés à un symétriseur de type "balun" formé par deux tiges conductrices parallèles, disposées dans le plan formé par les deux lignes neutres de symétrie des plaques et traversant perpendiculairement les plaques, le plan formé par les deux tiges étant perpendiculaire au plan du champ électrique rayonné par le premier élément rayonnant.
Selon un deuxième mode de réalisation, les deux tiges conductrices parallèles, forment un plan perpendiculaire au plan formé par les deux lignes neutres de symétrie des plaques et sont disposées de part et d'autre et à proximité de celles ci, en traversant les plaques perpendiculairement aux plaques, le plan formé par les deux tiges étant parallèle au plan du champ électrique rayonné par le premier élément rayonnant.
L'alimentation et l'adaptation d'impédance du dipôle aux circuits d'émission / réception sont obtenues en traversant le long de son axe longitudinal une des tiges du symétriseur portant un premier brin du dipôle, par un conducteur transformateur d'impédance dont une extrémité est reliée à l'extrémité du deuxième brin du dipôle et l'autre extrémité est reliée à l'âme centrale d'un connecteur ou d'un câble coaxial dont la gaine est reliée électriquement au plan de masse formant réflecteur, tandis que l'autre tige du symétriseur portant le deuxième brin du dipôle est reliée au plan de masse formant le réfecteur.
Pour faciliter l'écoulement des charges électrostatiques sur le plan de masse et améliorer la stabilité de fonctionnement, les tiges du symétriseur peuvent être en contact électrique avec les plaques rayonnantes qu'elle traversent et avec le plan de masse formant le réflecteur.
Selon une variante du premier mode de réalisation de l'invention, le premier élément rayonnant comporte une première plaque rayonnante et une deuxième plaque rayonnante inférieure en forme de carré de dimensions à peu près égales, excitées sur deux lignes de symétrie du "patch" respectivement parallèles aux côtés adjacents des carrés formés par les plaques pour générer deux ondes à polarisation orthogonale de même fréquence FI, et le deuxième élément rayonnant comporte un deuxième dipôle orienté perpendiculairement au premier dipôle et alimenté par un deuxième symétriseur de type "balun" pour générer deux ondes à polarisations orthogonales suivant une deuxième fréquence F2 dont les champs électriques rayonnes sont respectivement coplanaires avec ceux rayonnes par le premier élément rayonnant.
Les éléments rayonnants 1 et 2 sont supportés par le réflecteur 5. La largeur du réflecteur 5 est supérieure à la largeur du "patch" formant l'élément rayonnant 1. Le réflecteur 5 peut être bordé de murets 5a et 5b de hauteur déterminée comme illustré sur la figure 2. La largeur du réflecteur 5 et la hauteur des murets 5a et 5b sont des paramètres ajustables qui dépendent des applications. Par réflexion et diffraction, ces paramètres ont un effet d'élargissement ou de rétrécissement de l'ouverture à mi-puissance des diagrammes de rayonnement.
On peut prévoir deux languettes conductrices de liaison 12 et 13 au plan de masse du réflecteur 5 connectées sur les bords de la plaque inférieure 3 et dans le plan de symétrie mm',nn'. La largeur de ces bandes métalliques peut être choisie plus petite que la longueur d'onde, par exemple inférieure au trentième de la longueur d'onde de l'onde de fréquence F 1. Il s'est avéré que ceci améliore l'adaptation de l'impédance du "patch"; ceci stabilise également son fonctionnement vis à vis des variations climatiques; enfin, ceci limite les couplages de voisinage dans le cas d'un réseau composé de plusieurs éléments rayonnants, qui peuvent alors être implantés plus près les uns des autres.
Dans la bande de fréquence F2 de fonctionnement de l'élément rayonnant 2, le découplage entre les voies de deux éléments rayonnants 1 et 2 peut être très élevé, typiquement de 30dB et plus si la fréquence FI voisine de la fréquence nominale du "patch" est suffisamment éloignée de la fréquence nominale F2 du dipôle.
A la différence du mode de réalisation des figures 1 à 3, le mode de réalisation des figures 5 à 6 (où les éléments homologues sont représentés avec les mêmes références), les pieds 9a et 9b du symétriseur de l'élément rayonnant 2 traversent les plaques 3 et 4 du "patch" formant le premier élément rayonnant dans le plan de symétrie vertical VV, et les brins 7 et 8 du dipôle formant le deuxième élément rayonnant sont orientés dans ce plan.
Dans cette configuration, le découplage dans la bande de fréquence FI entre les voies des deux éléments rayonnants est typiquement de 20dB, donc moins favorable comparé à la configuration des figures 1 à 3 pour laquelle le découplage est typiquement de 30dB. On pense que ce découplage moins favorable est dû à l'apparition d'une différence de potentiel entre les pieds du symétriseur, à la fréquence FI de fonctionnement du premier élément rayonnant 1. Ceci vient du fait que la ligne verticale VV n'est pas une ligne neutre de l'élément rayonnant 1 et que le potentiel sur sa moitié supérieure est égal et opposé au potentiel sur sa moitié inférieure par rapport à la ligne neutre nn'. Cependant le découplage des deux voies dans la bande de fréquence F2 est du même ordre de grandeur typiquement de 30 dB que celui de la configuration des figures 1 à 3.
Les modes de réalisations décrits précédemment concernent des dispositifs rayonnants bi- bande dont la polarisation est linéaire verticale dans deux bandes de fréquence FI et F2.
Il est possible également de les adapter à la réalisation d'éléments rayonnants bi-bande ayant deux polarisations orthogonales inclinées d'un angle α égale par exemple à +/-45°, par rapport à l'axe vertical VV comme cela est représenté selon un premier exemple aux figures 7 et 8 et selon un deuxième exemple aux figures 9 et 10 où les éléments homologues des figures précédentes sont représentés avec les mêmes références.
Dans ces deux exemples, le "patch" constituant le premier élément rayonnant 1 a la forme d'un "patch" carré à deux plaques 3 et 4 superposées. Les deux voies de polarisation sont obtenues en excitant la plaque inférieure 3 du mode de réalisation de la figure 7 par deux sondes 14 et 15 placées sur deux lignes orthogonales de symétrie xx' et yy' du "patch" respectivement parallèles aux côtés du carré des plaques 3 et 4 et orientées de +/- 45° par rapport à la direction de l'axe vertical VV ou comme le montre le mode de réalisation de la figure 10, en excitant la plaque inférieure 3 par deux sondes 14 et 15 placées sur les diagonales du "patch". Le deuxième élément rayonnant 2 est formé par deux dipôles orthogonaux 16 et 17 qui surmontent le premier élément rayonnant 1. Les deux dipôles rayonnent deux ondes de fréquence F2 > 1,5 FI à polarisations orthogonales inclinées de +/- 45° par rapport à l'axe VV.
Sur les figures 7 et 8 les brins rayonnants 16a, 16b; 17a, 17b des dipôles 16 et 17 sont parallèles aux lignes de symétrie xx' et yy'du "patch" et inclinés de +/-45° par rapport à l'axe vertical VV. Dans le cas des figures 9 et 10 les brins rayonnants des dipôles 16 et 17 sont parallèles aux diagonales du "patch". Comme dans les modes de réalisation précédents, un réflecteur 5 avec murets éventuels 5 a et 5b supporte l'ensemble des éléments rayonnants 1 et 2.
Plus généralement dans cette autre variante de réalisation de l'invention, le premier élément rayonnant et le deuxième élément rayonnant sont orientés dans l'espace pour rayonner respectivement deux ondes à polarisations orthogonales inclinées de +/-45° par rapport à la verticale.
Dans les stations de base des réseaux de radiocommunication cellulaires, le rôle des antennes est d'émettre et/ou recevoir des informations ou des données transmises entre stations de base et mobiles abonnés au réseau. De la façon dont ces antennes sont réalisées dépend la zone géographique couverte et la qualité de réception des informations circulant à l'intérieur des cellules élémentaires des réseaux.
Ainsi, pour obtenir en tout point d'un réseau une bonne qualité de réception, il peut être nécessaire de rapprocher plus ou moins les stations de base entre elles, en fonction des conditions de propagation. Celles-ci dépendent pour beaucoup des irrégularités de terrains en général, ainsi que de la disposition des immeubles en zones urbaines. De plus, c'est dans les zones urbaines que la concentration en stations de base est la plus importante. La multiplicité des antennes qui en résulte est souvent perçue comme nuisible à l' esthétique des bâtiments et des quartiers dans lesquels elles sont installées. Il est possible de réduire le nombre de stations de base sur un territoire déterminé, en utilisant deux fréquences de transmission différentes, entre lesquelles le système de transmission peut basculer en fonction de critères liés à la qualité de réception. En pareil cas, il est souhaitable de donner des plans de polarisation orthogonaux aux ondes rayonnées sur la première fréquence et la deuxième fréquence, afin d'éviter des interférences d'une voie de réception sur l'autre. Ceci pose différents problèmes quant à la réalisation des antennes, et, en premier lieu, à la conception des éléments d'antenne.
L'invention a pour avantage qu'elle permet notamment la réalisation de réseaux directifs bi-bande comportant plusieurs dispositifs rayonnants et jouissant d'une bonne isolation inter-bandes. On a vu que l'invention fournit un dispositif rayonnant possédant deux voies d' alimentation, chacune fonctionnant dans une bande de fréquence distincte, les deux bandes de fréquence étant dans un rapport supérieur à 1,5. En outre, les polarisations peuvent être coplanaires et/ou orthogonales dans les deux bandes de fréquence.
A côté de cela, l'invention peut également fournir un dispositif rayonnant fonctionnant dans deux bandes de fréquence différentes jouissant d'un fort découplage entre les deux voies de fréquence. De plus, chaque voie peut rayonner selon un diagramme unidirectionnel dont l'ouverture à mi-puissance dans le plan horizontal est voisine de 90°.
Plus précisément, pour des modes de fonctionnement dans les bandes de fréquence GSM900 et dans l'ensemble de la bande GSM1800 et UMTS, le découplage obtenu entre deux voies de fréquence FI et F2 est supérieur à 30dB pour le mode de réalisation illustré par les figures 1 à 3; il est de 20dB dans le mode de réalisation des figures 5 à 6. Le rapport d'onde stationnaire par rapport à 50 Ohms est inférieur à 1,7:1 dans la bande GSM et inférieur à 1,5:1 dans la bande GSM1800 ou UMTS. Les ouvertures à mi-puissance des diagrammes de rayonnement sont proches de 90° dans les deux bandes de fréquence.
On voit que le dispositif rayonnant est particulièrement bien adapté à la réalisation d'antennes de stations de base à encombrement réduit pour les réseaux de radiocommunication cellulaires tels que ceux connus sous les désignations GSM900 (870 à 970 MHz), 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 une ou deux polarisations orthogonales, identiques pour toutes les bandes de fréquence. Par exemple, pour les zones suburbaines la polarisation demandée est verticale, tandis que pour les zones urbaines deux polarisations orthogonales inclinées de +/-45° par rapport à la verticale sont demandées.
Dans le mode de réalisation illustré par les figures 7 à 8, des réalisations pratiques ont montré que le découplage obtenu dans la bande FI entre les voies de fréquence FI (GSM900) et F2 (GSM1800+UMTS) est supérieur à 30dB pour les voies à polarisation parallèles (coplanaires) et supérieur à 25dB pour les voies à polarisation orthogonales. Dans la bande F2 ce découplage est supérieur à 30dB pour les voies à polarisation parallèles comme pour les voies à polarisations perpendiculaires. Les ouvertures à mi-puissance sont voisines de 65° dans la bande FI et voisines de 90° dans la bande F2. Dans le mode de réalisation illustré par les figures 9 à 10, des réalisations pratiques ont montré que le découplage obtenu dans la bande FI entre les voies de fréquence FI (GSM900) et F2 (GSM 1800+UMTS) est supérieur à 23dB pour les voies à polarisation parallèles (coplanaires) et supérieur à 40dB pour les voies à polarisation orthogonales. Dans la bande F2 ce découplage est supérieur à 30dB pour les voies à polarisations parallèles et à 40dB pour les voies à polarisations perpendiculaires. Les ouvertures à mi-puissance sont voisines de 65° dans la bande FI et voisines de 90° dans la bande F2.
Les antennes de stations de base doivent donc intégrer deux, voire trois bandes de fréquence, émettre et recevoir dans ces bandes de fréquence avec des polarisations identiques et un haut niveau de découplage entre ces bandes de fréquence.
Le dispositif rayonnant selon l'invention peut être utilisé pour d'autres applications et d'autres bandes de fréquence nécessitant deux voies à polarisations identiques et de fréquences distinctes.
Il peut aussi être utilisé pour d'autres applications 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.

Claims

Revendications.
1 -Dispositif rayonnant d'ondes radioélectriques bi-bande à polarisations coplanaires, comprenant un premier élément rayonnant (1) fonctionnant dans une première bande de fréquence F 1 et un deuxième élément rayonnant (2) fonctionnant dans une deuxième bande de fréquence F2, caractérisé en ce que le premier élément rayonnant (1) est formé par une antenne "patch" demi-onde comportant une plaque rayonnante rectangulaire (4) et en ce que le deuxième élément rayonnant (2) est formé par au moins un dipôle comportant deux brins rayonnants (7) et (8) disposés dans un plan de polarisation de la plaque rayonnante (4) et orientés parallèlement à la plaque rayonnante (4).
2 -Dispositif rayonnant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément rayonnant (1) et le deuxième élément rayonnant (2) sont disposés parallèlement à un plan de masse (5) formant également réflecteur.
3-Dispositif rayonnant selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la plaque rayonnante (4) du premier élément rayonnant (1) est superposée à une plaque rayonnante inférieure (3) de dimensions à peu près égales, disposée parallèlement et dans la même direction que la plaque rayonnante (4), entre cette dernière et le plan de masse (5) pour former avec le plan de masse (5) un double résonateur.
4-Dispositif rayonnant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque rayonnante (3) est excitée dans le mode fondamentale autour de sa résonance demi-onde .
5-Dispositif rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les brins (7,8) du dipôle constituant le deuxième élément rayonnant (2) sont connectés à un symétriseur de type "balun" formé par deux tiges conductrices parallèles (9a, 9b), disposées dans le plan de symétrie formé par les lignes neutres mm' et nn' respectivement des plaques (3) et (4) et traversant les plaques (3, 4) suivant une direction perpendiculaire au plan des plaques (3,4).
6-Dispositif rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les brins (7,8) du dipôle constituant le deuxième élément rayonnant (2) sont connectés à un symétriseur de type "balun" formé par deux tiges conductrices parallèles (9a, 9b), formant un plan perpendiculaire au plan de symétrie formé par les lignes neutres mm' et nn' respectivement des plaques (3) et (4) et disposées de part et d'autre et à proximité de celles ci, et traversant les plaques (3, 4) suivant une direction perpendiculaire au plan des plaques (3,4).
7 -Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'une des tiges (9a) est traversée en son centre par un conducteur central (10) dont une extrémité est reliée à l'extrémité d'un des brins (7) et l' autre extrémité est reliée au conducteur central d'un connecteur coaxiale (11) fixé au plan de masse formant le réflecteur (5), la tige (9a) étant reliée par une première extrémité à l'extrémité de l'autre brin (8) et par une deuxième extrémité au plan de masse (5) et en ce que l'autre tige (9b) est fixée par une première extrémité à une extrémité du brin (7) et par une deuxième extrémité au plan de masse formant le réflecteur (5).
8-Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'une des tiges (9a) est traversée en son centre par un conducteur central (10) dont une extrémité est reliée à l'extrémité d'un des brins (7) et l' autre extrémité est reliée au conducteur central d'un câble coaxiale (11) dont la gaine est fixée électriquement au plan de masse formant le réflecteur (5), la tige (9a) étant reliée par une première extrémité à l'extrémité de l'autre brin (8) et par une deuxième extrémité au plan de masse (5) et en ce que l'autre tige (9b) est fixée par une première extrémité à une extrémité du brin (7) et par une deuxième extrémité au plan de masse formant le réflecteur (5).
9-Dispositif rayonnant selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les tiges (9a, 9b) du symétriseur sont en contact électrique avec les plaques rayonnantes (3, 4) qu'elle traversent et avec le plan de masse formant le réflecteur (5).
10-Dispositif rayonnant selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que la plaque rayonnante inférieure est fixée sur ses bords par deux languettes conductrices
(12) et (13) situées dans le plan de symétrie mm',nn' des plaques.
11 -Dispositif rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le premier élément rayonnant comporte une première plaque rayonnante (4) et une deuxième plaque rayonnante inférieure (3) en forme de carré de dimensions à peu près égales excitées sur deux lignes de symétrie du "patch" respectivement parallèles aux côtés adjacents des carrés formés par les plaques (3,4), pour générer deux ondes à polarisation orthogonale de même fréquence FI, et en ce que le deuxième élément rayonnant (2) comporte un deuxième dipôle orienté perpendiculairement au premier dipôle et alimenté par un deuxième symétriseur de type "balun" pour générer deux ondes à polarisations orthogonales suivant une deuxième fréquence F2 dont les champs électriques rayonnes sont respectivement coplanaires avec ceux rayonnes par le premier élément rayonnant.
12-Dispositif rayonnant selon la revendication 10, caractérisé en ce que le premier élément rayonnant (1) et le deuxième élément rayonnant (2) sont orientés dans l'espace pour rayonner respectivement deux ondes à polarisations orthogonales inclinées de +/-45° par rapport à la verticale.
13-Dispositif rayonnant suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le rapport des bandes de fréquence rayonnées par le premier (1) et le deuxième élément rayonnant (2) est substantiellement supérieur à 1,5.
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