Brevet FR2841390A1 — publié le 20031226

- Dispositif rayonnant bi-bande a double polarisation. L'invention concerne les antennes et leurs elements rayonnants utilisables notamment dans les stations de base des reseaux de radiocommunication cellulaires de type GSM ou UMTS par exemple. 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'affiner la directivite du diagramme de rayonnement de ['ensemble ainsi forme. I1 est connu pour real i ser un di spo sitif rayonnant fonctionnant dans deux bandes de frequence et a polarisations orthogonales, de disposer un premier element rayonnant, forme par quatre dipoles en quadrature operant sur une premiere frequence F1, autour d'un deuxieme element rayonnant forme par deux dipoles croises en quadrature operant sur une 2 0 deuxieme frequence F2, ['ensemble de ces elements etant dispose au dessus d'un reflecteur. Selon leur orientation dans l'espace, les dipoles peuvent rayonner ou recevoir des ondes electromagnetiques suivant deux voies de polarisation, par exemple une vole de polarisation horizontale et une vole de polarisati on vertical e ou encore suivant deux voies de polari sation 2 5 decalees d'un angle de 45 par rapport a lthorizontale ou la verticale. Cependant le decouplage inter-bande depend fondamentalement de ['orientation relative du deuxieme element rayonnant place au centre du premier. En particulier les dip81es paralleles des elements fonctionnant dans les bandes de frequence F1 et F2 vent insuffisamment 3 0 decouples dans la bande de frequence superieure de frequence F2 pour laquelle les dip81es peripheriques ont une dimension grande par rapport a la longueur d'onde correspondent a la frequence F2. En effet ['interaction entre les dip81es peripheriques fonctionnant a la frequence F1 et les dipoles croises fonctionnant a la frequence F2 est due a la fois au rayonnement direct, les dip81es etant en visibilite directe, mais aussi au rayonnement f ' 2841390 reflechi par le reflecteur. En revanche les voies perpendiculaires des deux elements rayonnants vent bien decouplees en vertu de cette orthogonalite geometrique. Mais si cette orthogonalite n'est plus respectee, notamment si les dipoles de ['element rayonnant central ont des orientations arbitraires par rapport a ceux des dipoles peripheriques formant le premier element rayonnant alors un couplage inter-bande assez fort apparat entre les differentes voies de transmission ou de reception des deux elements rayonnants. Un autre desavantage de cette structure est que le rayonnement de ['element rayonnant central est perturbe par ['element rayonnant peripherique. En effet ce rayonnement est partiellement diffracte en particulier par les dipoles de ['element rayonnant peripherique, de sorte que le diagramme de rayonnement resultant presente dans le meilleur des cas des ondulations et, pour une orientation relative arbitraire des dipoles de ['element rayonnant central, ce diagramme est dissymetrique par rapport a l'axe principal de rayonnement perpendiculaire au plan des dipoles. Il reste done difficile d'obtenir un element rayonnant bi-bande 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 sonhaitable 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 des plans principaux E et H de chaque dipole, soit substantiellement inferieure a 90 . L'invention a pour but d'ameliorer la situation. Le dispositif rayonnant bi-bande a double polarisation selon ['invention, comprend un premier element rayonnant fonctionnant dans une premiere bande de frequence Fl qui est 3 0 forme de quatre dipoles disposes en carre et un deuxieme element rayonnant fonctionnant dans une deuxieme bande de frequence F2 qui est forme d'au moins un dipole dispose au centre du carre des dipoles formant le premier element rayonnant, chaque dipole etant alimente en son centre par un symetriseur. Le premier et le deuxieme element rayonnant vent disposes au dessus d'un reflecteur. Suivant une disposition avantageuse, les dipales formant le premier element rayonnant et les symetriseurs vent realises dans une meme plaque metallique, chaque symetriseur d'un dipale etant forme par une ligne a fente en court circuit taillee dans la plaque metallique suivant une direction perpendiculaire a l' axe du dipale. Le deuxieme element rayonnant est s forme par au moins un dipale dispose a l'interieur d'une cavite debouchant au centre de la plaque metallique. Suivant un autre mode de realisation avantageux de ['invention la plaque metallique et la cavite peuvent etre realises en une seule pidce, par emboutissage par exemple. Le deuxieme element rayonnant fonctionnant dans la bande de frequence F2 est ensuite fixe a l'interieur et au centre de la cavite dont le fond sert de plan de court-circuit electrique a au moins un symetriseur ou balun servant a l'alimentation du deuxieme element rayonnant Ainsi realise le premier element rayonnant et le deuxieme element rayonnant presentent une interaction electromagnetique tres faible. Celle-ci n'est due qu'a la diffraction de bord de la cavite. De la sorte le decouplage entre les deux bandes de frequence est tres fort queue que soit ['orientation relative du ou des dipales formant le deuxieme element rayonnant a l'interieur de la cavite, c' est a dire sa polarisation. D'autres caracteristiques et avantages de ['invention apparatront dans la description detaillee ci-apres, faite en reference aux dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 represente un premier mode de realisation d'un premier dispositif rayonnant a double polarisation pouvant fonctionner dans deux bandes de frequence differentes selon ['invention, - la figure 2 represente une vue suivant la coupe AA de la figurrl. -la figure 3 est une vue en perspective du dispositif represente aux figures 1 et 2. -la figure 4 est une variante de realisation du premier element rayonnant de la figure 1 -la figure 5 represente un deuxieme mode de realisation d'un dispositif selon ['invention. -la figure 6 est une vue suivant la coupe AA du dispositif de la figure 5. -la figure 7 est une vue en perspective du dispositif des figures 5 et 6. 2841 390 Les dessins contiennent, pour l'essentiel, des elements de caractere certain. Ils pourront done non senlement servir a mieux faire comprendre la description, mais aussi contribuer a la definition de ['invention, le cas echeant. Le dispositif represente aux figures 1, 2 et 3 ou les elements homologues vent representes avec les memes references, fait appara^tre quatre dipoles references de 1 a 4 formant un carre, decoupes dans une plaque metallique 5 comportant un trou central 6 dans lequel debouche l'extremite ouverte d'une cavite rayonnante 7. Le cote du carre forme par chaque dipole a une longueur typique egale a la demi longueur d'onde de l'onde de frequence F1 rayonnee par les dipoles pour une ouver-fure a ml- puissance du faisceau voisine de 65 c dans le plan horizontal. I1 est a noter cependant, que c' est l ' ecartement (d) entre deux dipoles paralleles de la plaque rayonnante 5 et par consequent la longueur des cotes du carre forme par les quatre dip81es 1 a 4 qui determine en grande partie la directivite du diagramme de rayonnement dans le plan horizontal de ces dipoles, c'est a dire l'ouverture a ml- puissance de ce diagramme et que cette ouverture depend assez peu de la longueur (1) des dipoles. La longueur (1) d'un dipole determine son impedance et peut etre plus ou moins grande selon l'epaisseur et la largeur du dipole. Plus cette epaisseur est grande plus course sera la longueur du dipole. En 2 0 d'autres termes le cote (d) du carre est determine en fonction de l'ouverture a ml-puissance qui est recherchee et qui peut avoir une valeur differente de 65c et la longueur des dipoles est ajustee pour assurer ['adaptation d'impedance, en general de 50 Ohms, de la padre des dip81es paralleles associes pour former une vole de polarisation a diagramme directif.Sui- vant un mode de realisation avantageux les dipoles 1 a 4 et la cavite 7 peuvent etre realises 2 5 d'une seule piece par decoupage et emboutissage de la plaque metallique 5. Chaque dipole 1 a 4 est alimente par un symetriseur reference respectivement de 8 a 11, de type "balun" forme par une ligne a fente en court circuit taillee dans la plaque metallique 5. Chaque symetriseur constitue un bras support du dipole correspondent. Pour ce faire la plaque 5 est formee autour du trou 6 de passage de la cavite 7 par une couronne concentrique 12 comportant sur sa peripherie exterieure et suivant deux directions a angle droit des excroissances ou bras 13 a 16 de formes par exemple, rectangulaire, biseautee ou trapezodale, reliant respectivement la couronne 12 aux dip81es 1 a 4. La longueur radiale (h) des bras est de preference non nulle, par exemple superieure a 0,0511 de facon a eviter le contact direct du bord interieur des dipoles avec le bord exterieur de la couronne 12 et ainsi minimiser ['interaction entre le courant circulant sur les dipole et les courants circulant sur la couronne 12. La largeur moyenne (w) des bras est typiquement de 5 a 10 fois la largeur de la ligne a fente qui est par ailleurs tres petite devant la longueur d'onde i1 correspondent a la frequence F1. La largeur de la couronne 12 est determinee pour etre suffisante a la fois sur le plan mecanique pour supporter les dipoles et sur le plan radioelectrique pour stabiliser la directivite des diagrammes de rayonnement de la cavite 7 dans la deuxieme bande de frequence F2, en rendant moins fluctuante 1'ouverture a ml-puissance des diagrammes de rayonnement en fonction de la frequence. Cette largeur est de preference superieure a S/100 ieme de la longueur d'onde i2 correspondent a la frequence F2. Les dipoles 1 a 4 vent alimentes a leur base, c'est a dire a l'extremite ouverte des lignes a fente des symetriseurs 8 a 11 au moyen par exemple de cables coaxiaux references respectivement de 17 a 20. Sur la vue en coupe de la figure 2 les dipoles 2 et 4 geometrique ment paralleles sur deux cotes opposes du carre vent alimentes a egalite de phase et d'amplitude par deux lignes coaxiales 18 et 20 identiques et un Te d'association 21 pour former une vole de polarisation a diagramme directif, tel un reseau classique de deux dipoles paralleles. Les lignes coaxiales d'alimentation 17, 18, 19, 20 des dipoles vent disposees respectivement le long et sur un cote des symetriseurs 8, 9, 10, 11. La gaine conductrice externe des lignes coaxiales 17 a 20 est en contact electrique avec la base de la premiere 2 5 moitie du dipole qu'elle alimente et avec la plaque S. et le conducteur central est connecte a la base de l'autre moitie du meme dip81e. On obtient ainsi deux voies orthogonales de polarisation dont les diagrammes de rayonnement vent sensiblement identiques. Cependant ce mode d' association n' est pas limitatif, et d' autres modes peuvent etre envisages. 3 0 Les symetriseurs des dipoles vent des lignes a fente taillees dans la plaque S en forme de meandres. Les meandres de chaque ligne a fente doivent etre en nombre suffisant pour que la ligne a fente ait une longueur sensiblement egale au quart de la longueur d'onde de l'onde de frequence F1 rayonnee par le premier element rayonnant. Cependant les lignes a fente peuvent revetir d'autres formes, elles peuvent par exemple comme le montre la figure 4 ou 2841 390 les elements homologues a ceux de la figure 1 portent les memes references, etre formees par un troncon circulaire suivi d'un tron,con rectiligne aboutissant a la base d'alimentation d'un dipale. Le troncon circulaire peut etre n'importe ou sur la couronne 12. Cependant pour eviter le couplage entre les ondes de frequences F1 et F2, il est preferable qutil ne soit pas pres du bord du trou 6 mais plutot au milieu de la couronne 12. La cavite metallique 7 peut revetir une forme cylindrique ou legerement conique, de section circulaire ou plus generalement polygonale a 2 puissance N cotes egaux avec N=2, 3, 4.... La plaque rayonnante S est en contact electrique avec le bord 7a de la cavite. La cavite 7 est excitee en son centre par un element rayonnant 23 fonctionnant sur la deuxieme frequence F2. Cet element rayonnant 23 peut etre de type dipole simple pour le cas d'un fonctionnement en mode de polarisation unique ou de type a dipoles croises, ou tourniquet communement appele en anglais "turnstile", pour le cas d'un fonctionnement en mode de polarisations orthogonales, ou tout autre type d'elements rayonnants adapte a d'autres types de polarisation y compris circulaire. Le fond 7b de la cavite 7 est ferme de fa,con a ce que le rayonnement de ['element rayonnant interieur 23 soit unidirectionnel et directif vers ['avant de la cavite 7. L'alimentation des dipoles formant ['element rayonnant 23 s'effectue aux moyens de symetriseurs de type "balun". Sur la vue en coupe de la figure 2 chaque symetriseur est forme par un premier tube conducteur 24 et un deuxieme tube conducteur 25 de longueurs sensiblement egales au quart de la longueur d' onde de l' onde de frequence F2. Les conducteurs 24 et 25 vent en liaison electrique par leurs extremites respectives avec la base 2 5 d'alimentation de chaque moitie d'un dipole de 1'element rayonnant 23 et le fond 7b de la cavite. Le premier tube 24 est traverse le long de son axe longitudinal par un conducteur central 26 dont une extremite est reliee a la base d'alimentation du demi dipole oppose a celui auquel il est relic par une de ses extremites et dont l'autre extremite peut etre reliee au conducteur central d'un connecteur d'alimentation ou eventuellement au conducteur central d'un cable coaxial non representes. Les tubes 24 et 25 forment ainsi avec le conducteur central 26 une ligne coaxiale transforrnatrice d'impedance pour le dipole anquel ils vent relies. De fa,con avantageuse la profondeur de la cavite 7 est proche du quart de la longueur d'onde 12 de l'onde rayonnee de frequence F2 de ['element rayonnant 23 interieur a la cavite. La hauteur de ['element rayonnant 23 par rapport au fond 7b de la cavite est egalement proche du quart de la longueur d'onde 12 tout en etant inferieure a laprofondeur de la cavite 7. Le diametre de la cavite 7 peut varier dans de larges proportions, entre par exemple 0,4572 et l2, pour des ouvertures a demi-puissance inferieures a 90 des diagrammes de rayonnement dans les plans diagonaux inclines de 45 par rapport aux plans principaux E et H du dipole a l'interieur de la cavite. Toutefois selon le rapport des frequences F1 /F2 l'ecartement necessaire entre les dipoles 1 a 4 de la plaque rayonnante 5 fonctionnant a la frequence F1 peut limiter le diametre maximum de la cavite 7. Par exemple, avec un ecartement de 1 70mm entre deux dipoles paralleles de la plaque rayonnante fonctionnant dans la bande GSM900, un diametre de 80mm et une profondeur de cavite de 40mm conviennent pour realiser un diagramme d'ouverture a ml-puissance 65 environ dans la bande GSM1800 ou UMTS. Comme il apparait sur les figures 2 et 3 la cavite 7 qui supporte la plaque 5 est fixee sur un reflecteur 34 de dimensions suffisantes pour permettre aux champs electromagnetiques 2 0 rayonnes a l'arriere des dipoles sur le reflecteur d'etre renvoyes sur ['avant. Outre son role mecanique, le reflecteur 34 est destine a rendre unidirectionnel le rayonnement des dipales de la structure rayonnante. Le reflecteur 34 peut comporter des murets dont le role est de rigidifier la structure mais egalement d'agir sur la directivite des diagrammes rayonnes. La hauteur des dipoles de la plaque rayonnante 5 par rapport au reflecteur 34 peut varier 2 5 typiquement de 71/8 a 11/4 dans la bande de frequence F1 de longueur d'onde 11. Suivant un autre mode de realisation illustre aux figures 5 a 7 ou les elements homologues a ceux des figures 1 a 4 portent les memes references, les dipoles 1 a 4 de la plaque 5 vent en partie sureleves par rapport au plan forme par l'ouverture de la cavite 7, chaque dipole etant partage en trots parties, une partie basse respectivement lb, 2b, 3b, 4b situee dans le plan de la plaque 5 etdeux parties hautesrespectivement la, lc; 2a, 2c; 3a,3c; 4a, 4c situees de part et d'autre de la partie basset Cette surelevation qui de preference doit conserver la symetrie geometrique de la structure, peut egalement se faire en inclinant les parties des dipoles situes au-dela des zones des symetriseurs 8 a 1 lcorrespondants. Diverses autres formes geometriques peuvent etre envisagees pour realiser des dipoles, la seule condition etant le respect de la symetrie de la structure rayonnante, c'est a dire l'identite des dipoles, si non des quatre au moins deux a deux par padres de dipoles paralleles. La symetrie des dipoles par padre signifie que deux dipoles paralleles ont une meme longueur totale de fa,con a ce qu'ils aient la meme impedance et que leur rayonnement respectif soit sensiblement le meme. Les deux padres de dipoles ne vent pas obligatoirement identiques car chaque padre de dipoles engendre une vole de polarisation independante. La symetrie dont il s'agit est une symetrie par rapport au centre (O) du carre forme par les quatre dipoles. Les structures des elements rayonnants des figures 1 a 7 vent tres simples et permettent de realiser a moindre cout des structures rayonnantes bi-bande ayant deux voies orthogonales de polarisation dans chaque bande de frequence, inclinees par exemple, comme le montrent les figures 1 et 5, de t 45O par rapport a une direction verticale w'. Les quatre voies ainsi formees vent fortement decouplees entre elles de typiquement 30dB, et rayonnent dans chaque bande de frequence suivant des diagrammes de directivite unidirectionnels ayant des ouvertures a ml-puissance inferieures a 90 dans le plan horizontal, par exemple 65 . Avantageusement il pourra etre realise des alignements colineaires d'une pluralite de telles structures rayonnantes pour former des reseaux lineaires verticaux de gain eleve, par exemple 18dBi, bi-bande ayant deux voies de polarisation orthogonales inclinees de +45 par rapport a une direction verticale w' dans chaque bande de frequence. On peut realiser un reseau qui comprend d'une part des elements rayonnants bi-bande et bipolarises du type decrit a la fgure 7 fonctionnant dans les bandes F1 (GSM900) et F2(UMTS et/ou DCS) et d'autre part d' elements rayonnants mono bande bipolarises fonctionnant dans la bande F2 du meme type que les elements centraux de la figure 7. Le pas du reseau pour la bande F2 est moitie du pas du reseau pour la bande F 1. On peut ainsi construire un reseau hautement directif et a pas regulier, bi- bande et bipolarise ayant une b onne purete de polari sation et un fort decoupl age entre l es differentes voi es. On notera que tous les elements rayonnants fonctionnant dans la bande F2 ont sensiblement le meme centre de phase du fait de leur identite, celui-ci etane situe sur l'axe central de la cavite, axe perpendiculaire au plan de l'ouverture de la cavite. Cette propriete facilite grandement le pointage electrique (ou Tilt) du faisceau par action sur les dephasages entre elements rayonnants et permet egalement un meilleur alignement des phases des elements rayonnants dans la bande de frequence pour une plus grande directivite de l'antenne. Des elements rayonnants realises conformement a ceux de ['invention decrits precedem- ment et fonctionnant dans les bandes de frequence GSM1800, GSM 1900 et UMTS ont permi d'obtenir une isolation entre les voies proche de 30dB, avec des rapports d'onde stationnaire par rapport a 50 Ohms pour tous les elements rayonnants inferieurs a 1,7:1 et des ouvertures a ml-puissance des diagrammes de directivite proches de 65 dans le plan horizontal pour des gains voisins de 9dBi dans les deux bandes de frequence. Revendications 1. Dispositifrayonnant du type comprenant un premier element rayonnant fonctionnant dans une premiere bande de frequence F1, forme de quatre dip81es (1, 2, 3,4) disposes en carre et un deuxieme element rayonnant (23) fonctionnant dans une deuxieme bande de frequence F2 forme d'au moins un dipole dispose au centre du carre des dipoles (1, 2, 3, 4) formant le premier element rayonnant, chaque dip81e etant alimente en son centre par un symekiseur, ['ensemble des elements rayonnants etant dispose au dessus d'un reflecteur (24), caracterise en ce que les dip81es (1, 2, 3, 4) formant le premier element rayonnant et les symetriseurs (8, 9, 10, 11) qui leur vent associes vent realises dans une meme plaque metallique (5), chaque symetriseur d'un dip81e etant forme par une ligne a fente en court circuit, taille dans la plaque metallique (5) suivant une direction perpendiculaire a l'axe du dipole, et en ce que le deuxieme element rayonnant (23) est forme par au moins un dip81e dispose a l'interieur d'une cavite metallique (7) placee au cenke de la plaque metallique (5). 2-Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que la cavite (7) est de forme cylindrique, conique ou de section polygonale a 2 puissance N c8tes egaux avec N=2, 3, 4,...etc. 3-Dispositif selon les revendications 1 et 2, caracterise en ce que la cavite est realisee par emboutissage de la plaque metallique (5). 4- Dispositif selon l'une des revendications 1 a 3, caracterise en ce que les symetriseurs (8, 2 5 9, 10, 1 1) vent formes par des lignes a fentes en court circuit de longueur sensiblement egale au quart de la longueur de fonctionnement du premier element rayonnant. - Dispositif selon la revendication 4, caracterise en ce que les lignes a fente (8, 9, 10, 11) vent en forme de meandres. 6- Dispositif selon la revendication 4, caracterise en ce que les lignes a fente (8, 9, 10, 11) comportent un premier troncon rectiligne suivi d'un deuxieme troncon circulaire. 2841 390 7- Dispositif selon l'une des revendications 1 a 6, caracterise en ce que les dipoles (1, 2, 3, 4) formant le premier element rayonnant vent alimentes par des cables coaxiaux (17,18,19, ) disposees le long des symetriseurs, la gaine conductrice externe de chaque cable etant en contact electrique avec la premiere moitie du dipole qutil alimente, son conducteur central etant connecte a la base de 1'autre moitie de ce meme dipole. 8-Dispositif selon l'une des revendications 1 a 7, caracterise en ce que les dipoles (1, 2, 3, 4) formant le premier element rayonnant vent en partie sureleves par rapport au plan forme par l'ouverture de la cavite (7). 9-Dispositif selon l'une des revendications 1 a 8, caracterise en ce que la cavite (7) comporte un fond (7b) sur lequel repose le deuxieme element rayonnant (23) par 1'intermediaire de tubes support (24, 25). 10-Dispositif selon la revendication 9, caracterise en ce que les tubes support (24, 25) forment des ligne bifilaire de type "Balun" pour l'alimentation des dipoles du deuxieme element rayonnant (23). 11 -Dispositifselon larevendication 10, caracterise en ce que le deuxieme element rayonnant 2 0 (23) est forme de deux dipoles croises a angle droit. 12-Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, caracterise en ce que la hauteur de ['element rayonnant (23) par rapport au fond (7b) de la cavite(7) est proche du quart de la longueur d'onde rayonnee par le deuxieme element rayonnant tout en etant inferieure a la 2 5 profondeur de la cavite(7). 13-Dispositif selon l'une des revendications 1 a 12, caracterise en ce que la profondeur de la cavite (7) est sensiblement egale au quart de la longueur d'onde de l'onde rayonnee par le deuxieme element rayonnant (23). 14-Dispositif selon la revendication 13, caracterise en ce que pour les cavites cylindriques a section circulaire, ou pour les cavites a section polygonale, le diametre de la cavite (7) ou celui du cercle circonscrit a la section polygonale, est sensiblement compris entre 0,4512 et 2841 390 12, i2 designant la longueur d'onde de l'onde rayonnee par le deuxieme element rayonnant (23). 1 5-Dispositif selon l'une des revendications 1 a 14, caracterise en ce que le premier element rayonnant (1, 2, 3, 4) et le deuxieme clement rayonnant (23) vent orientes dans l'espace pour rayonner respectivement deux ondes a polarisations orthogonales inclinees de t 45 par rapport a la verticale. 1 6-Reseau d'antenne, caracterise en ce qu'il comprend plusieurs dispositifs selon l'une des revendications 1 a 15, alignes verticalement sur un meme reflecteur (34) et disposes sur le reflecteur (34) de facon a former deux voies de polarisation orthogonales inclinees de +45