Brevet FR2840455A1 — publié le 20031205

meilleur cas pour chaque stimulation. i. (' JACQUELOT1.frd.wpd Element ravonnant large bande a double polarisation. de forme generale carree. L' invention concerne les antennes et leurs elements rayonnants. Un element rayonnant a double polarisation peut etre forme de deux dipoles rayonnants, chaque dipole etant constitue par deux brins de conducteurs colineaires. La longueur de chaque brin est sensiblement egale au quart de la longueur d'onde de travail. Les dipoles vent montes sur une structure permettant leur alimentation et leur positionnement au dessus d'un reflecteur (plan-masse). Ceci permet, par reflexion du rayonnement arriere des dipOles, d'affmer la directivite du diagramme de rayonnement de ['ensemble ainsi forme. Selon leur orientation dans l'espace, les dipoles peuvent rayonner ou recevoir des ondes electromagnetiques suivant deux voles de polarisation, par exemple une vole de polarisation horizontal e et une vole de polari sation verticale ou encore suivant deux voi es de polari sati on decalees d'un angle de 45 par rapport a lthorizontale ou la verticale. Cependant, lors de ['assemblage d'une telle structure, il est generalement difficile d'obtenir un bon decouplage des voies de polarisation, par exemple de 30dB, combine avec une bonne adaptation d'impedance des voies, par exemple un taux d'onde stationnaire a 50 Ohms inferieur a 1,5: 1 tout en permettant un diagramme rayonne unidirectionnel d'ouverture a ml-puissance substantiellement constante dans une large bande de frequence, par exemple 65 d'ouverture dans une bande passante de 24 %. II reste done difficile d'obtenir un element rayonnant simple a fabriquer possedant deux voies orthogonales a polarisation lineaire fortement decouplees dans une large bande de frequence. Il est a fortiori difficile de realiser un reseau directif bipolarise comportant plusieurs elements rayonnants de ce genre, et offrant une bonne purete de polarisation. Sur un autre plan, il serait souhaitable d'obtenir un element rayonnant avec deux voies orthogonales de polarisation ayant chacune un diagramme de rayonnement unidirectionnel et dont l'ouverture a ml-puissance dans les plans diagonaux c' est a dire des plans situes a +/- 45 des plans principaux E et H de chaque dipole. soit substantiellement inferieure a 90 . L'invention a pour but d'ameliorer la situation. Selon ['invention, chaque dip81e comprend une padre de plaques conductrices coplanaires, de meme geometric en forme generale de carre, les deux plaques de chaque padre vent positionnees avec leurs diagonales sensiblement alignees sur un meme axe d'alignement pour chaque padre; et les axes d'alignement des deux padres de plaques se coupent a angle droit en un point de croisement situe entre les plaques de chaque dipale. Autrement dit, les plaques vent disposees l'une par rapport a l'autre de maniere que deux sommets d'un carre d'une plaque, opposes sur une diagonale du carre, soient alignes le long d'un meme axe d'alignement avec deux sommets opposes sur une diagonale du carre de l'autre plaque de la meme padre. D'autres caracteristiques et avantages de ['invention apparaitront dans la description detaillee ci-apres, faite en reference aux dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus d'un premier mode de realisation d'un element rayonnant selon ['invention, - la figure 2 est une vue suivant la coupe AA de ['element rayonnant de la figure 1, - les figures 3, 4 et 5 illustrent en vue de dessus trots variantes de realisation de 1' element 2 0 rayonnant represente aux figures 1 et 2, et - la figure 6 est une vue en perspective d'un reseau lineaire compose de plusieurs elements rayonnants selon ['invention. Les dessins contiennent, pour l'essentiel, des elements de caractere certain. Ils pourront 2 5 done non seulement servir a mieux faire comprendre la description, mais aussi contribuer a la definition de ['invention, le cas echeant. La figure 1 fait appara^tre un contour carre virtuel en pointilles 1, dont la longueur du c8te est "a". A l'interieur de ce carre virtue!, ltelement rayonnant represente comporte quatre 3 0 plaques rayonnantes metalliques 2a, 2b, 2c, 2d, de forme carree, dont la longueur du c8te est "c". Ces quatre plaques vent juxtaposees dans un meme plan a l'interieur du carre virtuel 1. De preference, les plaques ont des dimensions identiques et vent separees entre elles d'un meme ecart ''b", avec a = 2 c + b. Les plaques carrees 2a et 2c ont une diagonale commune, c' est a dire situee sensiblement sur un meme axe d'alignement 3; de meme, les plaques 2b et 2d ont une diagonale commune, ct est a dire situee sensiblement sur un meme axe d'alignement 4. Ces axes d'alignement 3, 4, qui constituent des diagonales communes a l'une et l'autre padres de plaques, se coupent a angle droit en un point de croisement "O" situe entre les plaques de chaque padre ou dipale. Sur la figure 1, les axes d'alignement 3 et 4 forment egalement les diagonales du carre virtuel en pointille 1. Chaque padre de plaques, respectivement; 2b, 2d, est alimentee au moyen d'un symetriseur (ou balun). Ainsi, la padre de plaques 2a, 2c forme un dipale symetrique rayonnant un champ electrique polarise, et ceci dans un plan perpendiculaire a celui des plaques 2a, 2b, 2c, 2d, et contenant la diagonale commune 3 aux cites plaques. De meme, la padre de plaques 2b, 2d forme un dipale symetrique rayonnant un champ electrique polarise, et ceci dans un plan perpendiculaire a celui des plaques 2a, 2b, 2c, 2d, et contenant la diagonale commune 4 aux cites plaques. Les deux padres orthogonales de plaques engendrent ainsi deux champs electriques orthogonaux l'un a l'autre. Les plans de polarisation font un angle de +/- 45 par rapport a 2 0 l'axe vertical VV' de la figure 1, qui passe dans l'intervalle.entre les plaques 2a, 2b d'une part, et 2c, 2d d'autre part. Comme represente sur la coupe de la figure 2, le plan des quatre plaques est dispose parallelement a un reflecteur plan 5. Chacune des plaques 2a, 2b, 2c, 2d peut etre montee et supportee sur le reflecteur 5 par l'intermediaire de tubes conducteurs references respectivement 6a, 6b, 6c, 6d. Chaque tube est fixe a l'une de ses extremites au reflecteur plan 5, et oriente suivant une direction generale perpendiculaire au plan des plaques et au plan du reflecteur 5. 3 0 Sur la vue en coupe de la figure 2, seules les plaques 2a, 2b et 2d ainsi que les tubes 6a, 6b, 6d vent visibles. Ces tubes 6a, 6b, 6c, 6d servent d'entretoise pour maintenir separees les plaques 2a, 2b, 2c, 2d du reflecteur 5; ils assurent ou supportent egalement la fonction de symetriseur ou "balun" pour l'alimentation electrique des plaques. Le reflecteur 5 permet de renvoyer par reflexion le rayonnement arriere issu des plaques. Il est positionne de sorte que le rayonnement resultant global corresponde a un diagramme unidirectionnel, dirige vers le demi-espace qui contient les plaques rayonnantes (par rapport au reflecteur). Sur la figure l, les extremites des tubes conducteurs 6a, 6b, 6c, 6d en contact avec les plaques 2a, 2b, 2c, 2d vent fixees respectivement sur la portion a angle droit (ou "coin") des plaques 2a, 2b, 2c, 2d qui est situee au voisinage du point de croisement "O" des axes d'alignement 3 et 4. La padre de tubes 6a, 6c forme le symetriseur de la padre de plaques diagonalement opposees 2a, 2c.. La padre de tubes 6b, 6d forme le symetriseur de la padre de plaques diagonalement opposees 2b, 2d. Chaque symetriseur peut etre vu comme une ligne bifilaire dont les extremites hautes vent reliees electriquement respectivement aux plaques et les extremites basses vent reliees electriquement au reflecteur 5, ainsi qu'a un point chaud d'alimentation. Plus precisement, l'un des tubes 6b ou 6c d'un symetriseur peut etre traverse-par un 2 0 conducteur central 7b ou 7c, dont une extremite est connectee a la plaque diagonalement opposee 2d ou 2a, et dont l'autre extremite est connectee au conducteur central d'un connecteur d'alimentation 8 ou eventuellement au conducteur central d'un cable coaxial non represente dont la gaine serait soudee au reflecteur S. Le tube 6b ou 6c forme ainsi, avec son conducteur central 7b ou 7c, une ligne coaxiale transformatrice d'impedance pour le dipole 2 5 forme par la padre de plaques connectee au symetriseur, dans chaque cast En outre, les deux symetriseurs orthogonaux ainsi formes par les tubes, qui servent egalement de support aux plaques rayonnantes, peuvent etre realises en une seule piece conductrice prenant la forme d'un pied supportant les plaques rayonnantes. Chaque conducteur central 7b ou 7c traversant un tube 6b ou 6c peut etre de section circulaire, carree, rectangulaire ou autre. La section des tubes 6a, 6b, 6c, 6d des symetriseurs peut etre circulaire, carree, rectangu- laire, trapezodale, quasi triangulaire ou d'une autre forme, de preference sensiblement reguliere. La section des tubes peut egalement ne pas etre fermee, en etant par exemple ouverte sur un cote. L'essentiel est que les tubes puissent recevoir le conducteur central, qui peut eventuellement avoir la forme d' une bande conductrice (strip) pour permettre l'alimentation du point chaud et la transformation d'impedance. Les tubes peuvent egalement etre remplis d' un dielectrique pour faciliter la tenue mecanique du conducteur central ou pour realiser la longueur necessaire du conducteur central a ['adaptation d' impedance. Par ailleurs les tubes ne recevant pas de conducteur central peuvent etre creux ou plein. La dimension transverse de cette section est choisie pour realiser une excitation convenable de la plaque concernee (celle qui recoit l'extremite du conducteur central concerne, 7b ou 7c), et, par symetrie de la plaque opposee sur la meme diagonale 3 ou 4. Selon un autre mode de realisation, represente sur la figure 3, les plaques 2a, 2b, 2c, 2d peuvent etre evidees, et comporter chacune un trou 9, sensiblement de la meme forme, par exemple un trou circulaire centre au point de croisement des diagonales du carre que definit chaque plaque. Ceci permet d'alleger leur poids; et il a ete observe que cela ne modifie pas sensiblement les proprietes radioelectriques des elements rayonnants. Une variante applicable aux modes de realisation precedents est representee sur la figure 4, ou les elements homologues a ceux de la figure 1 conservent les memes references. Dans ce cas, les quatre coins exterieurs des plaques 2a, 2b, 2c, 2d situes aux extremites des deux axes d'alignement 3 et 4, peuvent egalement etre coupes suivant des plans de coupe perpendiculaire aux axes d'alignement, cette coupe est sensiblement identique sur les quatre coins pour conserver la symetrie geometri que des deux voi es de polari sati on. Une autre variante non representee, consiste a plier plus ou moins le coin de chaque plaque vers le teas ou vers le haut relativement au plan horizontal des plaques d'un certain angle "p ". De la sorte le coin plie forme un triangle isocele de cote "w" incline de ",B " par rapport au plan des plaques (,B est compris entre -90 et +90 ). Un tel agencement peut avoir un interet dans des reseaux denses d'elements rayonnants pour ameliorer le couplage mutuel entre deux elements adjacents. La profondeur w de la coupe representee sur la figure 4 ou de la pliure de la variante de realisation enoncee ci-dessus, mesuree le long d'un cOte de longueur "c" du carre d'une plaque depuis son angle au sommet, peut dans ces configurations etre au plus egale a la longueur du cate " c " du carre, reduisant ce dernier a la forme d'un triangle, sans que le bon fonctionnement de ['element rayonnant nten soit notablement altere. Selon une autre variante representee a la figure 5, il est aussi possible de combiner les formes de realisation des plaques 2a, 2b, 2c, 2d des figures 3 et 4 pour realiser un element rayonnant en forme de "croix de Malte. Dans ce mode de realisation les plaques 2a, 2b, 2c, 2d vent percees d'un trou circulaire 9 et les coins exterieurs situes sur les axes d'alignement vent tronques. Ainsi, on diminue le poids de ['element rayonnant, sans que les caracteristiques de ['element rayonnant s'en trouvent notablement degradees. Sur la figure 6, plusieurs elements rayonnants de l'un des types decrits en reference aux figures 1 a 4 vent alignes au dessus d'un reflecteur commun 5, pour former un reseau d'antennes. Dans cette configuration, les axes d'alignement 3 et 4 des plaques rayonnantes des dipales vent inclinees d'un angle egal a 45 par rapport a l'axe longitudinal w' du 2 0 reflecteur 5. D'autres alignements vent envisageables, selon les besoins. On peut egalement envi sager de melanger differents types d ' elements rayonnants. Pour un grand nombre d'applications, notamment ou il est recherche des diagrammes directifs a ouverture a ml-puissance autour de 65c dans le plan horizontal comme c'est le 2 5 cas des antennes des stations de base de type GSM ou UMTS, le domaine de variation des dimensions principales "a" et "h" peut etre le suivant: 0,35 3 0 rayonnant. L'ecartement entre les plaques "b" est typiquement de quelques millimetres ou de quelques centiemes de la dimension "a". Des elements rayonnants realises conformement a ceux de ['invention decrits precedemment et fonctionnant dans la bande de frequences GSM900 et dans les bandes de frequences GSM1800 et UMTS reunies ont permis d'obtenir, entre les deux voies orthogonales: - une isolation superieure a 30dB, - un taux d'onde stationnaire a 50 Ohms inferieur a 1,5:1, - un gain de ['element rayonnant voisin de 9dBi pour des ouvertures a ml- puissance du diagramme de rayonnement proches de 65 , - un taux de polarisation croise proche de 28dB dans l'ouverture a mi-pcissance du diagramme de rayonnement. L'usage de plaques rayonnantes a profies carres a differents avantages, qui peuvent etre consideres independamment: - possibilite d'une simplification sensible du dispositif d'alimentation des dipoles, encombrement reduit de ['element rayonnant, 1 5 - performances etonnantes. - possibilite de fabriquer par surmoulage par exemple, les plaques et les symetriseurs d'une seule et meme piece. Comme on l'a vu, I'element rayonnant est particulierement bien adapte a la realisation 2 0 d'antennes de stations de base pour les reseaux cellulaires de radiocommunication tels que le GSM900 (870 a 960 MHz), le GSM1800 (1710 a 1880 MHz) ou le nouveau systeme UMTS (1920 a 2170 MHz) pour lesquels les liaisons avec les mobiles doivent se faire suivant deux polarisations orthogonales inclinees de 45 par rapport a la verticale. 2 5 Cependant, ['element rayonnant selon ['invention peut etre utilise pour d'autres applications et d'autres bandes de frequence necessitant par exemple d'emettre et de recevoir des ondes electromagnetiques a polarisation circulaire droite ou gauche en combinant les deux voies de polarisation orthogonales en quadrature de phase. 3 0 On peut egalement constituer un reseau plan, c' est a dire bidirectionnel, avec les elements rayonnants decrits ci dessus. Dans ce cas les elements rayonnants vent alignes horizontale ment selon un pas determine et vertical ement avec un autre pas determine. Par exempl e, un sous reseau de deux elements horizontaux associes en parallele a egalite d'alimentation permet une ouverture a -3dB de 29 environ dans le plan horizontal pour un pas de 0,91, ou est la longueur d'onde fonctionnement. Un alignement vertical uniforme de 8 de tels sous reseaux perrnet une ouverture de 7 environ dans le plan vertical avec le meme pas de 0,9X, le reseau global ainsi forme possede un gain theorique de 22,5 dBi environ. Il est egalement possible de realiser les plaques rayonnantes par gravure sur un support dielectrique de faible epaisseur, par exemple de tvpe "Verre-Teflon" ou "Duroid". Cette technologie imprimee trouvera en particulier son application aux hautes frequences all ant de S Ghz a 24 GHz. Revendications 1. Dispositif rayonnant(1), comprenant deux dipales croises (2), agences pour fonctionner en large bande et en double polarisation, caracterise en ce que chaque dipole comprend une padre de plaques conductrices coplanaires (2a, 2c; 2b, 2d), de meme geometric en forme generale de carres, les deux plaques de chaque padre (2a, 2b, 2c, 2d) etant positionnees avec leurs diagonales sensiblement alignees sur un meme axe d'alignement (3, 4) pour chaque padre, et en ce que les axes d'alignement (3,4) des deux padres de plaques se coupent a angle droit en un point de croisement (O) situe entre les plaques de chaque padre. 2. Dispositif rayonnant selon la revendication 1, caracterise en ce que les plaques (2a, 2c; 2b, 2 d) des deux padres ont des surfaces sensiblement i dentiques et vent di spo sees adjacentes l'une par rapport a l'autre en etant inscrites a l'interieur d'un carre dont chaque cote "a" contient deux cotes en alignement de deux plaques adjacentes des deux padres. 3. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 1 et 2, caracterise en ce que chaque padre de plaques est alimentee entre les deux extremites des plaques situees a proximite du point de croisement par un symetriseur comprenant deux tubes (6a, 6c, 6b, 6d) formant 2 0 ligne bifilaire de type "Balun". 4. Dispositif rayonnant selon la revendication 3, caracterise en ce que les plaques vent fixces a un reflecteur (5) par 1'intermediaire desdits tubes (6a, 6b, 6c, 6d). 2 5 5. Dispositif rayonnant selon la revendication 4, caracterise en ce que les extremites des tubes formant ligne bifilaire vent reliees electriquement au reflecteur (5) et aux extremites des plaques (2a, 2b, 2c, 2d) situees a proximite du point de croisement "O" des axes d'alignement des deux padres de plaques, et en ce que l'un des tubes (6b, 6c) de chaque symetriseur est traverse par un conducteur central (7b,7c) dont une exkemite est connectee 3 0 a une plaque (2d, 2a). 6. Dispositif rayonnant selon la revendication 5, caracterise en ce que l'autre extremite du conducteur central (7b,7c) est connectee au conducteur central d'un connecteur coaxial d'alimentation (8) monte sur le reflecteur (S). 7. Dispositif rayonnant selon la revendication 5, caracterise en ce que l'autre extremite du conducteur central (7b, 7c) est connectee au conducteur central d'un cable coaxial monte sur le reflecteur (5). 8. Dispositif rayonnant selon l'une quelconque des revendications 3 a 7, caracterise en ce que les symetriseurs (6a, 6b, 6c, 6d) vent realisees en une seule piece formant un pied de support pour les plaques rayonnantes. 9. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 3 a 8, caracterise en ce que les sections des tubes des symetriseurs (6a, 6b, 6c, 6d) vent au moins en partie circulaires. 10. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 3 a 8 caracterise en ce que les sections des tubes (6a, 6b, 6c, 6d) vent au moins en partie rectangulaires. 11. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 1 a 10, caracterise en ce que les plaques rayonnantes (2a, 2b, 2c, 2d) vent interieurement evidees (9). 12. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 1 a 10, caracterise en ce que les quatre coins exterieurs des plaques rayonnantes (2a, 2b, 2c, 2d) situes sur les axes 2 0 d' al i gnements vent tro nques. 13. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 1 a 10, caracterise en ce que les quatre coins exterieurs des plaques rayonnantes (2a, 2b, 2c, 2d) vent plies d' un angle determine relativement au plan des plaques. 14. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 1 a 10, caracterise en ce que les plaques rayonnantes (2a, 2b, 2c, 2d) assemblees realisent un motif en forme de "croix de Malte". 15. Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 1 a 14, caracterise en ce que la longueur "a" du cote du carre forme par les cotes des carres de deux plaques rayonnantes adjacentes est comprise approximativement entre 0,35 et 0,6 X, et en ce que les plaques rayonnantes vent situees a une distance "h" du reflecteur (5) comprise approximativement entre 0,14 et 0,28 1, ou est la longueur d'onde de travail. 16. Dispositif rayonnant, formant antenne-reseau, caracterise en ce qu'il comprend plusieurs elements rayonnants (1) selon l'une des revendications 1 a 15, places alignes sur un meme reflecteur (5), et disposes de fa,con que les axes d'alignement (3,4) des plaques rayonnantes 2a, 2b, 2c, 2d) de chaque dipole soient inclines de 45Drelativement a l'axe d'alignement