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 mmes 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/Fl 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 mme 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 tre 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 oeuvre 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 Tao 1) 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 mme potentiel que celui du plan de masse 5 constituant le réflecteur. Il en est de mme 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 mme 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 tre 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 revtir différentes formes et peut tre 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 tre choisi court devant la longueur d'onde aux fréquences F2, par exemple inférieur à/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 tre 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 mme 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 rayonnés sont respectivement coplanaires avec ceux rayonnés 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 tre 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 tre choisie plus petite que la longueur d'onde, par exemple inférieure au trentième de la longueur d'onde de l'onde de fréquence FI.

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 tre 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 tre 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 mmes 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 mme 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 a 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 mmes 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 5a 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 tre 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 1'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 tre 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 radiocommunica- tion 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 tre utilisé pour d'autres applications et d'autres bandes de fréquence nécessitant deux voies à polarisations identiques et de fréquences distinctes.

Il peut aussi tre 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.