L'invention concerne les antennes et leurs éléments rayonnants utilisables notamment dans les stations de base des réseaux de radiocommunication cellulaires de type GSM ou UMTS par exemple.

Un élément rayonnant à double polarisation peut tre formé de deux dipôles rayonnants, chaque dipôle étant constitué par deux brins de conducteurs colinéaires. La longueur de chaque brin est sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de travail. Les dipôles sont montés sur une structure permettant leur alimentation et leur positionnement au dessus d'un réflecteur (plan-masse). Ceci permet, par réflexion du rayonnement arrière des dipôles, d'affiner la directivité du diagramme de rayonnement de l'ensemble ainsi formé.

Il est connu pour réaliser un dispositif rayonnant fonctionnant dans deux bandes de fréquence et à polarisations orthogonales, de disposer un premier élément rayonnant, formé par quatre dipôles en quadrature opérant sur une première fréquence FI, autour d'un deuxième élément rayonnant formé par deux dipôles croisés en quadrature opérant sur une deuxième fréquence F2, l'ensemble de ces éléments étant disposé au dessus d'un réflecteur.

Selon leur orientation dans l'espace, les dipôles peuvent rayonner ou recevoir des ondes électromagnétiques suivant deux voies de polarisation, par exemple une voie de polarisation horizontale et une voie de polarisation verticale ou encore suivant deux voies de polarisation décalées d'un angle de 45=par rapport à l'horizontale ou la verticale.

Cependant le découplage inter-bande dépend fondamentalement de l'orientation relative du deuxième élément rayonnant placé au centre du premier. En particulier les dipôles parallèles des éléments fonctionnant dans les bandes de fréquence FI et F2 sont insuffisamment découplés dans la bande de fréquence supérieure de fréquence F2 pour laquelle les dipôles périphériques ont une dimension grande par rapport à la longueur d'onde correspondant à la fréquence F2. En effet l'interaction entre les dipôles périphériques fonctionnant à la fréquence FI et les dipôles croisés fonctionnant à la fréquence F2 est due à la fois au rayonnement direct, les dipôles étant en visibilité directe, mais aussi au rayonnement

réfléchi par le réflecteur. En revanche les voies perpendiculaires des deux éléments rayonnants sont bien découplées en vertu de cette orthogonalité géométrique. Mais si cette orthogonalité n'est plus respectée, notamment si les dipôles de l'élément rayonnant central ont des orientations arbitraires par rapport à ceux des dipôles périphériques formant le premier élément rayonnant alors un couplage inter-bande assez fort apparaît entre les différentes voies de transmission ou de réception des deux éléments rayonnants.

Un autre désavantage de cette structure est que le rayonnement de l'élément rayonnant central est perturbé par l'élément rayonnant périphérique. En effet ce rayonnement est partiellement diffracté en particulier par les dipôles de l'élément rayonnant périphérique, de sorte que le diagramme de rayonnement résultant présente dans le meilleur des cas des ondulations et, pour une orientation relative arbitraire des dipôles de l'élément rayonnant central, ce diagramme est dissymétrique par rapport à l'axe principal de rayonnement perpendiculaire au plan des dipôles.

Il reste donc difficile d'obtenir un élément rayonnant bi-bande simple à fabriquer possédant deux voies orthogonales à polarisation linéaire fortement découplées dans une large bande de fréquence. Il est a fortiori difficile de réaliser un réseau directif bipolarisé comportant plusieurs éléments rayonnants de ce genre, et offrant une bonne pureté de polarisation.

Sur un autre plan, il serait souhaitable d'obtenir un élément rayonnant avec deux voies orthogonales de polarisation ayant chacune un diagramme de rayonnement unidirectionnel et dont l'ouverture à mi-puissance dans les plans diagonaux c'est à dire des plans situés à 45°des plans principaux E et H de chaque dipôle, soit substantiellement inférieure à 90°.

L'invention a pour but d'améliorer la situation.

Le dispositif rayonnant bi-bande à double polarisation selon l'invention, comprend un premier élément rayonnant fonctionnant dans une première bande de fréquence FI qui est formé de quatre dipôles disposés en carré et un deuxième élément rayonnant fonctionnant dans une deuxième bande de fréquence F2 qui est formé d'au moins un dipôle disposé au centre du carré des dipôles formant le premier élément rayonnant, chaque dipôle étant alimenté en son centre par un symétriseur. Le premier et le deuxième élément rayonnant sont disposés au dessus d'un réflecteur.

Suivant une disposition avantageuse, les dipôles formant le premier élément rayonnant et les symétriseurs sont réalisés dans une mme plaque métallique, chaque symétriseur d'un dipôle étant formé par une ligne à fente en court circuit taillée dans la plaque métallique suivant une direction perpendiculaire à l'axe du dipôle. Le deuxième élément rayonnant est formé par au moins un dipôle disposé à l'intérieur d'une cavité débouchant au centre de la plaque métallique.

Suivant un autre mode de réalisation avantageux de l'invention la plaque métallique et la cavité peuvent tre réalisés en une seule pièce, par emboutissage par exemple. Le deuxième élément rayonnant fonctionnant dans la bande de fréquence F2 est ensuite fixé à l'intérieur et au centre de la cavité dont le fond sert de plan de court-circuit électrique à au moins un symétriseur ou balun servant à l'alimentation du deuxième élément rayonnant Ainsi réalisé le premier élément rayonnant et le deuxième élément rayonnant présentent une interaction électromagnétique très faible. Celle-ci n'est due qu'à la diffraction de bord de la cavité. De la sorte le découplage entre les deux bandes de fréquence est très fort quelle que soit l'orientation relative du ou des dipôles formant le deuxième élément rayonnant à l'intérieur de la cavité, c'est à dire sa polarisation.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée ci-après, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un premier dispositif rayonnant à double polarisation pouvant fonctionner dans deux bandes de fréquence différentes selon l'invention, - la figure 2 représente une vue suivant la coupe AA de la figure.

-la figure 3 est une vue en perspective du dispositif représenté aux figures 1 et 2.

-la figure 4 est une variante de réalisation du premier élément rayonnant de la figure 1 -la figure 5 représente un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'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.

-la figure 8 est une vue partielle en perspective d'un réseau colinéaire formé d'une part d'éléments rayonnants bi-bande et bipolarisés du type décrit à la figure 7 et d'éléments rayonnants monobande et bipolarisés du mme type que les éléments rayonnants centraux de la figure 7.

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 de l'invention, le cas échéant.

Le dispositif représenté aux figures 1,2 et 3 où les éléments homologues sont représentés avec les mmes références, fait apparaître quatre dipôles référencés de 1 à 4 formant un carré, découpés dans une plaque métallique 5 comportant un trou central 6 dans lequel débouche l'extrémité ouverte d'une cavité rayonnante 7. Le côté du carré formé par chaque dipôle a une longueur typique égale à la demi longueur d'onde de l'onde de fréquence FI rayonnée par les dipôles pour une ouverture à mi-puissance du faisceau voisine de 65 ° dans le plan horizontal.

Il est à noter cependant, que c'est l'écartement (d) entre deux dipôles parallèles de la plaque rayonnante 5 et par conséquent la longueur des côtés du carré formé par les quatre dipôles 1 à 4 qui détermine en grande partie la directivité du diagramme de rayonnement dans le plan horizontal de ces dipôles, c'est à dire l'ouverture à mi-puissance de ce diagramme et que cette ouverture dépend assez peu de la longueur (1) des dipôles. La longueur (1) d'un dipôle détermine son impédance et peut tre plus ou moins grande selon l'épaisseur et la largeur du dipôle. Plus cette épaisseur est grande plus courte sera la longueur du dipôle. En d'autres termes le côté (d) du carré est déterminé en fonction de l'ouverture à mi-puissance qui est recherchée et qui peut avoir une valeur différente de 65'eut la longueur des dipôles est ajustée pour assurer l'adaptation d'impédance, en général de 50 Ohms, de la paire des dipôles parallèles associés pour former une voie de polarisation à diagramme directif. Sui- vant un mode de réalisation avantageux les dipôles 1 à 4 et la cavité 7 peuvent tre réalisés d'une seule pièce par découpage et emboutissage de la plaque métallique 5.

Chaque dipôle 1 à 4 est alimenté par un symétriseur référencé respectivement de 8 à 11, de type"balun"formé par une ligne à fente en court circuit taillée dans la plaque métallique 5.

Chaque symétriseur constitue un bras support du dipôle correspondant. Pour ce faire la plaque 5 est formée autour du trou 6 de passage de la cavité 7 par une couronne concentrique 12 comportant sur sa périphérie extérieure et suivant deux directions à angle droit des excroissances ou bras 13 à 16 de formes par exemple, rectangulaire, biseautée ou

trapézoïdale, reliant respectivement la couronne 12 aux dipôles 1 à 4. La longueur radiale (h) des bras est de préférence non nulle, par exemple supérieure à 0, 05A1 de façon à éviter le contact direct du bord intérieur des dipôles avec le bord extérieur de la couronne 12 et ainsi minimiser l'interaction entre le courant circulant sur les dipôle et les courants circulant sur la couronne 12. La largeur moyenne (w) des bras est typiquement de 5 à 10 fois la largeur de la ligne à fente qui est par ailleurs très petite devant la longueur d'onde Ai correspondant à la fréquence FI.

La largeur de la couronne 12 est déterminée pour tre suffisante à la fois sur le plan mécanique pour supporter les dipôles et sur le plan radioélectrique pour stabiliser la directivité des diagrammes de rayonnement de la cavité 7 dans la deuxième bande de fréquence F2, en rendant moins fluctuante l'ouverture à mi-puissance des diagrammes de rayonnement en fonction de la fréquence. Cette largeur est de préférence supérieure à 5/100- ième de la longueur d'onde A2 correspondant à la fréquence F2.

Les dipôles 1 à 4 sont alimentés à leur base, c'est à dire à l'extrémité ouverte des lignes à fente des symétriseurs 8 à 11 au moyen par exemple de câbles coaxiaux référencés respectivement de 17 à 20. Sur la vue en coupe de la figure 2 les dipôles 2 et 4 géométrique- ment parallèles sur deux côtés opposés du carré sont alimentés à égalité de phase et d'amplitude par deux lignes coaxiales 18 et 20 identiques et un Té d'association 21 pour former une voie de polarisation à diagramme directif, tel un réseau classique de deux dipôles parallèles. Les lignes coaxiales d'alimentation 17,18, 19,20 des dipôles sont disposées respectivement le long et sur un côté des symétriseurs 8,9, 10,11. La gaine conductrice externe des lignes coaxiales 17 à 20 est en contact électrique avec la base de la première moitié du dipôle qu'elle alimente et avec la plaque 5, et le conducteur central est connecté à la base de l'autre moitié du mme dipôle. On obtient ainsi deux voies orthogonales de polarisation dont les diagrammes de rayonnement sont sensiblement identiques. Cependant ce mode d'association n'est pas limitatif, et d'autres modes peuvent tre envisagés.

Les symétriseurs des dipôles sont des lignes à fente taillées dans la plaque 5 en forme de méandres. Les méandres de chaque ligne à fente doivent tre en nombre suffisant pour que la ligne à fente ait une longueur sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de l'onde de fréquence FI rayonnée par le premier élément rayonnant. Cependant les lignes à fente peuvent revtir d'autres formes, elles peuvent par exemple comme le montre la figure 4 où

les éléments homologues à ceux de la figure 1 portent les mmes références, tre formées par un tronçon circulaire suivi d'un tronçon rectiligne aboutissant à la base d'alimentation d'un dipôle. Le tronçon circulaire peut tre n'importe où sur la couronne 12. Cependant pour éviter le couplage entre les ondes de fréquences FI et F2, il est préférable qu'il ne soit pas près du bord du trou 6 mais plutôt au milieu de la couronne 12.

La cavité métallique 7 peut revtir une forme cylindrique ou légèrement conique, de section circulaire ou plus généralement polygonale à 2 puissance N cotés égaux avec N=2,3, 4....

La plaque rayonnante 5 est en contact électrique avec le bord 7a de la cavité.

La cavité 7 est excitée en son centre par un élément rayonnant 23 fonctionnant sur la deuxième fréquence F2. Cet élément rayonnant 23 peut tre de type dipôle simple pour le cas d'un fonctionnement en mode de polarisation unique ou de type à dipôles croisés, ou tourniquet communément appelé en anglais"turnstile", pour le cas d'un fonctionnement en mode de polarisations orthogonales, ou tout autre type d'éléments rayonnants adapté à d'autres types de polarisation y compris circulaire. Le fond 7b de la cavité 7 est fermé de façon à ce que le rayonnement de l'élément rayonnant intérieur 23 soit unidirectionnel et directif vers l'avant de la cavité 7.

L'alimentation des dipôles formant l'élément rayonnant 23 s'effectue aux moyens de symétriseurs de type"balun". Sur la vue en coupe de la figure 2 chaque symétriseur est formé par un premier tube conducteur 24 et un deuxième tube conducteur 25 de longueurs sensiblement égales au quart de la longueur d'onde de l'onde de fréquence F2. Les conducteurs 24 et 25 sont en liaison électrique par leurs extrémités respectives avec la base d'alimentation de chaque moitié d'un dipôle de l'élément rayonnant 23 et le fond 7b de la cavité. Le premier tube 24 est traversé le long de son axe longitudinal par un conducteur central 26 dont une extrémité est reliée à la base d'alimentation du demi dipôle opposé à celui auquel il est relié par une de ses extrémités et dont l'autre extrémité peut tre reliée au conducteur central d'un connecteur d'alimentation ou éventuellement au conducteur central d'un câble coaxial non représentés. Les tubes 24 et 25 forment ainsi avec le conducteur central 26 une ligne coaxiale transformatrice d'impédance pour le dipôle auquel ils sont reliés.

De façon avantageuse la profondeur de la cavité 7 est proche du quart de la longueur d'onde A2 de l'onde rayonnée de fréquence F2 de l'élément rayonnant 23 intérieur à la cavité.

La hauteur de l'élément rayonnant 23 par rapport au fond 7b de la cavité est également proche du quart de la longueur d'onde A2 tout en étant inférieure à la profondeur de la cavité 7.

Le diamètre de la cavité 7 peut varier dans de larges proportions, entre par exemple 0, 45X2 et A2, pour des ouvertures à demi-puissance inférieures à 90° des diagrammes de rayonnement dans les plans diagonaux inclinés de 45D par rapport aux plans principaux E et H du dipôle à l'intérieur de la cavité. Toutefois selon le rapport des fréquences FI/F2 l'écartement nécessaire entre les dipôles 1 à 4 de la plaque rayonnante 5 fonctionnant à la fréquence FI peut limiter le diamètre maximum de la cavité 7. Par exemple, avec un écartement de 170mm entre deux dipôles parallèles de la plaque rayonnante fonctionnant dans la bande GSM900, un diamètre de 80mm et une profondeur de cavité de 40mm conviennent pour réaliser un diagramme d'ouverture à mi-puissance 65° environ dans la bande GSM1800 ou UMTS.

Comme il apparaît sur les figures 2 et 3 la cavité 7 qui supporte la plaque 5 est fixée sur un réflecteur 24 de dimensions suffisantes pour permettre aux champs électromagnétiques rayonnés à l'arrière des dipôles sur le réflecteur d'tre renvoyés sur l'avant. Outre son rôle mécanique, le réflecteur 24 est destiné à rendre unidirectionnel le rayonnement des dipôles de la structure rayonnante. Le réflecteur 24 peut comporter des murets dont le rôle est de rigidifier la structure mais également d'agir sur la directivité des diagrammes rayonnés. La hauteur des dipôles de la plaque rayonnante 5 par rapport au réflecteur 24 peut varier typiquement de A1/8 à A1/4 dans la bande de fréquence F 1 de longueur d'onde A1.

Suivant un autre mode de réalisation illustré aux figures 5 à 7 où les éléments homologues à ceux des figures 1 à 4 portent les mmes références, les dipôles 1 à 4 de la plaque 5 sont en partie surélevés par rapport au plan formé par l'ouverture de la cavité 7, chaque dipôle étant partagé en trois parties, une partie basse respectivement lb, 2b, 3b, 4b située dans le plan de la plaque 5 et deux parties hautes respectivement la, le ; 2a, 2c ; 3a, 3c ; 4a, 4c situées de part et d'autre de la partie basse. Cette surélévation qui de préférence doit conserver la symétrie géométrique de la structure, peut également se faire en inclinant les parties des dipôles situés au-delà des zones des symétriseurs 8 à 11 correspondants. Diverses autres

formes géométriques peuvent tre envisagées pour réaliser des dipôles, la seule condition étant le respect de la symétrie de la structure rayonnante, c'est à dire l'identité des dipôles, si non des quatre au moins deux à deux par paires de dipôles parallèles. La symétrie des dipôles par paire signifie que deux dipôles parallèles ont une mme longueur totale de façon à ce qu'ils aient la mme impédance et que leur rayonnement respectif soit sensiblement le mme. Les deux paires de dipôles ne sont pas obligatoirement identiques car chaque paire de dipôles engendre une voie de polarisation indépendante. La symétrie dont il s'agit est une symétrie par rapport au centre (0) du carré formé par les quatre dipôles.

Les structures des éléments rayonnants des figures 1 à 7 sont très simples et permettent de réaliser à moindre coût des structures rayonnantes bi-bande ayant deux voies orthogonales de polarisation dans chaque bande de fréquence, inclinées par exemple, comme le montrent les figures 1 et 5, de 45° par rapport à une direction verticale w'. Les quatre voies ainsi formées sont fortement découplées entre elles de typiquement 30dB, et rayonnent dans chaque bande de fréquence suivant des diagrammes de directivité unidirectionnels ayant des ouvertures à mi-puissance inférieures à 90 dans le plan horizontal, par exemple 65°.

Avantageusement il pourra tre réalisé des alignements colinéaires d'une pluralité de telles structures rayonnantes pour former des réseaux linéaires verticaux de gain élevé, par exemple 18db, bi-bande ayant deux voies de polarisation orthogonales inclinées de i45° par rapport à une direction verticale w'dans chaque bande de fréquence.

Le mode de réalisation du réseau montré à la figure 8 comprend d'une part des éléments rayonnants bi-bande et bipolarisés du type décrit à la figure 7 fonctionnant dans les bandes FI (GSM900) et F2 (UMTS et/ou DCS) et d'autre part d'éléments rayonnants mono bande bipolarisés fonctionnant dans la bande F2 du mme type que les éléments centraux de la figure 7. Le pas du réseau pour la bande F2 est moitié du pas du réseau pour la bande FI.

On peut ainsi construire un réseau hautement directif et à pas régulier, bi-bande et bipolarisé ayant une bonne pureté de polarisation et un fort découplage entre les différentes voies. On notera que tous les éléments rayonnants fonctionnant dans la bande F2 ont sensiblement le mme centre de phase du fait de leur identité, celui-ci étant situé sur l'axe central de la cavité, axe perpendiculaire au plan de l'ouverture de la cavité. Cette propriété facilite grandement le pointage électrique (ou Tilt) du faisceau par action sur les déphasages entre éléments rayonnants et permet également un meilleur alignement des phases des éléments rayonnants dans la bande de fréquence pour une plus grande directivité de l'antenne.

Des éléments rayonnants réalisés conformément à ceux de l'invention décrits précédem- ment et fonctionnant dans les bandes de fréquence 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 à 50 Ohms pour tous les éléments rayonnants inférieurs à 1,7 : 1 et des ouvertures à mi-puissance des diagrammes de directivité proches de 65° dans le plan horizontal pour des gains voisins de 9dBi dans les deux bandes de fréquence.