Brevet FR2950745A1 — publié le 20110401

Élément rayonnant d'antenne à double polarisation La présente invention se rapporte à un élément rayonnant d'antenne à double polarisation. On connaît des éléments rayonnants dits de type "papillon" Cbutterfly" en anglais) qui sont constitues de plusieurs pièces assemblées, comme décrit dans le document EP-0 895 303. L'élément rayonnant comporte deux dipôles orthogonaux comprenant chacun deux éléments conducteurs ; chaque élément conducteur est replié en V pour former deux ailes, montés sur un réflecteur ou plan de masse ("ground plane" to en anglais). Cependant cette configuration présente une limitation de directivité. Les courants de surfaces parcourant les ailes étant limités, elle est au mieux équivalente à deux dipôles demi-ondes placés orthogonalement. On connaît aussi des éléments rayonnants dits de type "TV" utilisés dans les antennes d'émission de télévision. La structure moulée est dans ce cas assez complexe 15 à réatiser. De plus, celle-ci nécessite que l'élément rayonnant soit alimenté par quatre câbles coaxiaux. On connaît encore des éléments rayonnants, dits de type "patch", imprimés sur un circuit imprimé (PCB), pour lesquels il confient d'utiliser des technques multicouches afin d'obtenir les caractéristiques voulues. Ces éléments rayonnants sont généralement 20 constitués d'une surface conductrice carrée ayant approximativement une demi-longueur d'onde de côté. Toutefois les courants, ni concentres ni guides, se répartissent sur toute la surface carrée ce qui résulte en une moindre pureté de polarisation. En outre la bande de fréquence utilisable est étroite, de l'ordre de a_ 5% autour de la fréquence centrale. La présente invention a pour but de mettre en œuvre un élément rayonnant d'antenne d double polarisation ayant une très large surface de courant, et par conséquent ayant une directivité rte lx misé . L'invention e aussi pour but de proposer un élément rayonnant d'antenne à double polarisation dont la réalisation ne nécessite pas cie soudure et minimise les matériaux utilisée. 3C0 L'invention e encore pour but de proposer un élément rayonnant d'antenne a double polarisation dont le volume et le coût sont minimisés. L'objet de la présente invention est un élément rayonnant d'antenne à double polarisation comportant, pour cheque polarisation, un couple de dipôles demi-onde, chaque dipôle formant un plan rectangulaire conducteur dont les extrémités sent repliée sur la partie controle, et une jonction en forme de ruhen conducteur assurant la liaison entre les deux dipôiea d'une même polarisation. Selon un mode de réalisation préféré, la jonction est connectée au dipôle en un point où le courant est maximal et la tension minimale, ce qui permet de ne pas modifier la répartition des courants dans l'élément rayonnant. Selon un autre mode de réalisation> le couple de dipôles de chaque polarisation ttl est alimenté par un seul câble coaxial. Le câble coaxial est connecté à une ligne d'alimentation, par exemple de type rnierorub n, qui alimente chaque Couple de dipôles. Selon encore un autre mode de réali{sation, les dipôles d'un même couple sont éloignés l'un de l'autre par une distance d'une demi-longueur d'onde. Selon une première forme d'exécution, les dipôles sont imprimés sur une 15 première face inférieure d'un support diélectrique, chaque dipôle étant alimenté par une ligne conductrice de type nmicrobande imprimée sur la face supérieure opposée du support diélectrique. Selon une deuxième forme d'exécution, un au moins des composants de l'élément rayonnant choisi parmi les dipôles, les i rnrti~,~s et les lignes d'alimentation est' 20 découpe dans une tôle métallique mince. Selon une variante, un couple de dipèles et la jonction associée sont découpés d'une seule pièce dans une tôle métallique mince L"invention propose un élément rayonnant qui est équivalent à deux dipôles demi-onde pour chaque polarisation grâce à des courants de surfaces parcourant une 2 surface plus étendue que dans le cas d'un élément rayonnant "papillon" de l'art antérieur. La directivité de cet élément rayonnant étant plus grande que pour les éléments rayonnants de l'art antérieur, il n'a besoin que d'un plan réflecteur de dimension réduite pour conduire à une ouverture de diagramme équivalente (largeur de faisceau). L'élément rayonnant étant plus directif, la valeur de rayonnement arrière est 30 plus faible. Par conséquent l'antenne à double polarisation résultant de l'assemblage de ces éléments rayonnants est moins large et moins épaisse que les antennes de l'art antérieur L'élément rayonnant selon l'invention est mécaniquement très simple et comporte moins de pièces que dans les éléments rayonnants de l'a{i antérieur. 2950745 à Notamment il ne comprend que deux câbles coaxiaux, un plan de masse ou réflecteur de surface réduite et éventuellement un support plan isolant par exemple tel que celui utilisé pour un circuit imprimé, à comparer aux nombreuses piéoes utilisées pour la réabeatien des éléments rayennants de l'art antérieur. Au point de vue de l'impédance, l'élément rayonnant est large bande à cause du couplage des dipôles demi-onde, Ceci permet de diminuer la distance entre les dipôles et le réflecteur, et donc d'obtenir une antenne de moindre épaisseur. Il n'est Ode nécessaire d'ajouter un symétriseur ("t'alun" en anglais). On peut utiliser l'élément rayonnant selon l'invention dans des antennes large bande; typiquement regroupant plusieurs bandes, par exemple DCS, PCS et UMTS. Il est possible d'adapter l'impédance à une large bande de fréquence en utilisant la surface importante disponible pour la ligne microruban. L'invention a aussi pour objet une antenne à double polarisation comprenant des éléments rayonnants tels que détail préedemment. D'autres caractéristiques et avantages de ia présente invention apparaîtront au cours des exemples suivants de réalisation. donnés bien entendu à sire iliustratif et non lionitat.lf. et dans le dessin annexé sur lequel la figure unique représente - la figure 1 représente une vue en perspective d'un element rayonnant selon un mode de réalisation de l'Invention, 20 - la figure 2 montre en détail l'alimentation des couples de dipôles de l'élément rayonnant de la figure 1, - la figure 2> représente une vue de dessus d'un autre mode de réalisation d'un élément rayonnant. - la figure 4 est le diagramme de rayonnement en co-polensatien et en polarisation croisée de l'élément rayonnant de la figure 1, l'intens,te de rayonnement R en dB est donné en ordonnée, et en abscisse l'angle de rayonnement e, en degrés - la figure 5 représente le coefficient de réflexion de chacun des couples de dipôles de la figure 1 en no-polarisation et en polarisation croisée et l'isolation entre les deux couples de dipôles, le coefficient de réflexion ç et l'isolation I en dB sont donnés en 30 ordonnée, et en abscisse la fréquence F en GHz le mode de réalisation de l'invention illustré sur les figures 1 et 2, un élément rayonnent 1 est monté sur une plaque métallique ayant le fonction de réflecteur 2 placée à une distance faible d'environ un quart de longueur d'onde de l'élément rayonnant 1 Les bords du réflecteur 2 sont repliés ou profilés de maniere a permettre un ajustement du diagramme de radiation. L'élément rayonnant 1 à double polarisation comporte, pour la première polarisation, un premier dipôle 3 et un second dipôle 4 et pour la seconde polarisation, un troisième dipôle 5 et un quatrième dipôle 6. Les dipôles 3, 4, 5, 6 sont des plans rectangulaires formant des "G", les deux extrémités 7 étant repliées sur là partie tu centrale 8 de manière à ménager une fente 9 en forme de "T" entre ces parties. Entre les deux dipôles 3, 4 et 5, 6 d'une même polarisation, positive ou négative, une jonction 10,11 sous forme d'un ruban joint les deux dipôles 3, 4 et 5, 6 d'un même couple. La jonction 10, 11 est connectée aux dipôles 3, 4, 5,6 en des points où le courant est maximal et la tension minimale de Manière a ne pas modifier la répartition i des csarants dans l'élément rayonnant. Les dipôles de chaque couple 3, 4 et 5, 6 sont éloignés l'Un de l'autre par une distance d'une demi-longueur d'onde. Les r p es 3, 4, 5, 6 ainsi que leurs jonctions respectives 10, 11 sont iinprl é sur la face inférieure du support diélectrique 12 d'un circuit imprimé. La face supérieure du support diélectrique 12 supporte les lignes d'alimentation 13 microruban de chacun 20 des dipôles. Les jonctions 10, 11 des dipôles 3, 4, 5, 6 sont utilisées comme plan de masse ("ground plane" en anglais) de la ligne microruban 13. Comme montré en détail sur la figure 3, le couple de deux dipôles 3, 4 et 5, 6 pour chaque polarisation est directement alimenté à proximité du centre de l'élément rayonnant 1 par un seul câble coaxial 14, chaque câble 14 alimentant les lignes microruban 13 associées à l'une des 25 jonction 10 ou 11. Un cavalier 15 assure le chevauchement des l gnes microruban 13 au point de croisement. Los dipôles 3, 4, 5, 6 peuvent être réalisés par gravure à perte d'un support cuivré du type utilisé pour la réalisation de circuits imprimés. On peut envisager d'utiliser aussi une peinture conductrice ou la technique de sérigraphie. 30 Ce concept rend possible la proximité entre l'élément rayonnant 1 et le réflecteur 2 conduisant à une épaisseur totale de l'antenne qui peut être inférieure à 80 mm, et de préférence de l'ordre de 60 mm pour la bande GSM 900, contre environ 85 mm à l'heure actuelle. L'élément rayonnant 1 permet un eeeciielage satisfaisant (approximativement 30dB d'isolation) entre les deux couples de dipôles 3, 4 et 5 6, Selon un autre mode de réalisation représenté sur la figure 3, le couple de dipôles 30, 31 et leur jonction 32 sont découpés directement dans une tôle conductrice mince, par exemple d'une seule pic'cc' Un support n'est plus nécessaire et les lignes cralimentation 33 sont disposées eentement sur la tôle après la pose d'un revêtement . isolant ou de supports isolants localisés. Les lignes d'alimentation 33 peuvent également être découpées dans une tôle conductrice mince, Dans ce cas, le cavalier peut être réalisé directement par pliage de la tôle découpée, tO On considérera maintenant la figure 4 qui représente le diagramme de rayonnement de l'élément rayonnant. Le faisceau de courbes 40 en "elcichen correspond e la composante de ce-polarisation et le faisceau de courbes 41 en "V" correspond e la composante de polarisation croisée respectivement pour les fréquences de 500 MHz, 900 MHz, 1 GHz et 1,1 GHz. La polarisation croisée rearésentee par ies courbes 41 15 en "V" doit être minimisée La bande de fréquence utilisable est de l'ordre de t21°! autour de la fréquence centrale. A un niveau de rayonnement R -3dB, i'oeverture Arp de rayonnement 42 est d'environ 00'. a 650, et la variation de l'ouverture 43 (écartement des courbes reste très réduite dans la bande de fréquence étudiée (800 MHz â 1,1 GHz). La discrimination des deux polarisations, matérialisée ear la 20 distance entre le faisceau de courbes 40 en co-polarisation et le faisceau de courbes 41 en polarisation croisée, est meilleure que 32dB dans l'axe de l'azimut (p La figure 5 représente le coefficient de réflexion C pour les deux couples de dipôles et l'isolation 1 entre ces couples. Le coefficient de réflexion 50, 51 reste meilleur que 15dB pour chacun des deux couples de dipôles sur une bande de fréquence de 2, 850 MHz à 1180 MHz. La bande de fréquence utilisable est de l'ordre de ± 16,5% auteur de la fréquence centrale, contre environ ± 10% autour de la fréquence centrale pour un élément rayonnant do type "patch" de l'art antérieur. L'isolation 52 entre les deux couples de dipôles reste meilleure que 26dB sur une bande de fréquence extrêmement étendue. Ces figures 4 et 5 montrent que les caractéristiques radioélectriques de .3u l'élément rayonnant, selon le mode de réalisation de l'invention qui vient d'être décrit, sont avantageusement stables sur une très targe bande de fréquence REVENDICATIONS1. Elément rayonnant d'antenne à double polarisation comprenant des dipôles demi-onde, caractérisé en ce qu'il comporte, pour chaque polarisation, un couple de dipôles demi-onde (3, 4 ; 5, 6), chaque dipôle formant un plan rectangulaire conducteur dont les extrémités (7) sont repliée sur la partie centrale (8), et une jonction (10, 11) en forme de ruban conducteur assurant la liaison entre les deux dipôles (3, 4 ; 5, 6) d'une même polarisation. 2. Elément rayonnant selon la revendication 1, dans lequel la jonction (10, 11) est connectée au dipôle (3, 4, 5, 6) en un point ou le courant est maximal et ta tension 10 minimale. 3. Elément rayonnant selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le couple de dipôles (3, 4 ; 5, 6) de chaque polarisation est alimenté par un seul câble coaxial (14). 4. Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les dipôles (3, 4 ; 5, 6) d'un même couple sont éloignés l'un de l'autre par une distance d'une 15 demi-longueur d'onde. 5. Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les dipôles (3, 4 ; 5, 6) sont imprimés sur une première face inférieure d'un support diélectrique (12), chaque dipôle (3, 4 ; 5, 6) étant alimenté par une ligne conductrice (13) de type microbande imprimée sur la face supérieure opposée du support diélectrique. 6. •Elément rayonnant selon l'une des revendications) à 5, dans lequel un au moins des composants de l'élément rayonnant choisi parmi les dipôles (30, 31), les jonctions (32) et les lignes d'alimentation (33) est découpé dans une tôle métallique mince. 7. Elément rayonnant selon la revendication 6, dans lequel un couple de 25 dipôles (30, 31) et la jonction (32) associée sont découpés d'une seule pièce dans une tôle métallique mince. 8. Antenne à double polarisation comprenant des éléments rayonnants selon l'une des revendications précédentes.