Brevet FR2773270A1 — publié le 19990702

A EMETTEUR/RECEPTEUR D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES L'invention concerne un dispositif de réception/émission d'ondes électromagnétiques. Les services de télécommunication sans fil de type interactif se développent rapidement. Ces services concernent la téléphonie, la télécopie, la télévision, notamment numérique, le domaine dit " multimédia "> et le réseau internet. Les équipements pour ces services de grand diffusion doivent pouvoir être disponibles à un coût raisonnable. Il en est ainsi, en particulier, du récepteur/émetteur de l'utilisateur qui doit communiquer avec un serveur, le plus souvent par l'intermédiaire d'un satellite de télécommunication, ou dans le cadre d'un système MMDS ("Multi-point Multi-channel Distribution System" en langue anglaise), LMDS ("Local Multi-point Distribution System" en langue anglaise) ou MVDS ("Multi-point Video Distribution System" en langue anglaise) explicités dans l'ouvrage " Reference Data for Engineers " Edition SAMS Publishing - Chapitre 35 page 20. Ces communications s'effectuent en général dans le domaine des hyperfréquences. On utilise par exemple, dans le cadre du système MMDS, des bandes de fréquences de l'ordre de 40 Ghz. Pour ces domaines de fréquences, on utilise habituellement un récepteur à guide d'onde et un émetteur à guide d'onde, les deux guides d'onde étant disjoints. Cette technologie est de mise en oeuvre lourde s'il faut assurer une liaison de retour de l'usager vers la station de base en vue de l'acheminement de flux d'informations ou de commandes de l'usager vers la source du service (par exemple, dans le domaine des programmes audiovisuels, le péage à la séance ou Pay per View en langue anglaise). Elle est donc onéreuse. En outre, son poids et son encombrement sont incompatibles avec une utilisation par des particuliers. L'invention remédie aux inconvénients précités. Elle est caractérisée en ce que le dispositif comporte un guide d'ondes couplé à un circuit de réception à microrubans et à un circuit d'émission à microrubans, lesdits circuits étant agencés respectivement dans une première section droite et une seconde section droite dudit guide. Un tel dispositif de technologie hybride microruban et à guide d'onde est réalisable à coût modéré. Son encombrement et son poids sont réduits, et l'émission et la réception sont néanmoins possibles simultanément. De surcroît, l'utilisation d'un guide d'onde permet de bénéficier d'une large bande de fréquences pour l'émission et la réception. On peut avoir avantage à ce que, pour assurer l'isolation entre la voie d'émission et la voie de réception et éviter la détérioration du signal de réception par le signal d'émission, le dispositif comporte en outre des moyens de filtrage agencés de sorte que les ondes transmises par ledit circuit d'émission soient suffisamment atténuées, du côté du circuit de réception, pour ne pas perturber ledit circuit de réception. On obtient de cette sorte une excellente isolation entre les signaux d'émission et de réception. L'invention a pour objet un système de réception/émission d'ondes électromagnétiques comportant des moyens de focalisation desdites ondes, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif selon l'invention. D'autres avantages de la présente invention ressortiront de la description de l'exemple de réalisation qui va suivre, pris à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 représente le concept de base de la voie de retour d'un système de réception/emission par satellite, MMDS, LMDS ou MVDS, mis en oeuvre par l'invention, - la figure 2 représente une vue éclatée schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, - les figures 3.a, 3.b, 3.c, 3.d, 3.e représentent schématiquement des vues de cinq modes de réalisation de moyens d'isolation selon l'invention, - la figure 4 représente un schéma synoptique de modes de réalisation de circuits de conversion de fréquence se présentant respectivement sur le circuit de réception et d'émission à microrubans selon l'invention. Plus particulièrement, la figure 4.a représente le schéma simplifié du circuit de réception relié aux sondes de réception tandis que la figure 4.b représente le schéma simplifié du circuit d'émission du dispositif selon l'invention relié aux sondes d'émission. Pour simplifier la description, les mêmes références seront utilisées sur les différentes figures pour désigner les éléments remplissant des fonctions identiques. La figure 1 représente le concept de base de la voie de retour d'un système de réception/émission par MMDS, LMDS ou MVDS, mis en oeuvre par l'invention. Les informations distribuées par le système peuvent provenir de satellites, de studio d'enregistrement, de réseaux cablés. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, un satellite 10 envoie des informations 11 à une antenne réceptrice 12 d'une station terrestre 13. Ces informations 1 1 sont transmises à une antenne commune 1 4 pourvue d'un émetteur/récepteur 15 qui transmet les informations et programmes mis à la disposition des usagers. Par exemple, I'émetteur/recepteur microondes 1 5 transmet des informations 16 dans le cadre du système MMDS. Ces informations et programmes 16 sont captés au niveau de chaque usager par l'intermédiaire d'une antenne 17 de faible diamètre ( de l'ordre de 10 cm pour une application dans le cadre du système MMDS à 40 Ghz) placée sur le toit d'une habitation 18 par exemple. Bien entendu, dans le cas d'un immeuble, ces antennes peuvent être placées, grâce à leurs faibles dimensions, au voisinage des balcons des différents étages. L'antenne 17 comprend un réflecteur 19 destiné à focaliser l'énergie reçue, un dispositif de réception/émission selon l'invention formant source primaire 20 logée au foyer du réflecteur 19 et dont l'extrémité ouverte vers les ondes rayonnées est en forme de cornet ou de lentille électromagnétique, ledit dispositif comprenant en outre un convertisseur de fréquence convertissant en fréquences intermédiaires les signaux descendants provenant de l'antenne 14 et en fréquences hautes les signaux de fréquences intermédiaires destinés à être émis vers ladite antenne 14. Ce convertisseur est intégré au dispositif de réception/émission selon l'invention. Selon une variante représentée sur la figure 2, il peut être placé de façon isolée dans un dispositif de conversion de fréquences 21. Le convertisseur 21 convertit en fréquences intermédiaires les signaux reçus et les transmet, par des moyens de liaison, par exemple un câble coaxial 22, à une unité intérieure 23 agencée à l'intérieur de l'habitation 18 comprenant un décodeur/codeur 24 relié à des moyens d'utilisation des informations transmises, par exemple un récepteur de télévision 25. Lesdites antennes 17 sont, dans l'invention, également utilisées pour la voie de retour. Ainsi, l'usager, par le biais d'une télécommande par exemple, répond dans le cadre d'un service interactif. Les informations sont codées puis transmises, au moyen du câble 22, au convertisseur hautes fréquences qui convertit lesdites informations dans une bande de fréquences d'émission. Une voie montante "usager" 26 transmet des données de retour vers la station terrestre 13 qui a donc également pour rôle de collecter et centraliser les données transmises par les usagers et reçues sur son émetteur/récepteur 15. Cette voie montante fonctionne, par exemple, dans les bandes de fréquences [ 40.5 - 40.55 GHz] et [ 42.45 - 42.5 GHz] pour un système MMDS GHz en Europe alors que la voie descendante, pour designer la voie de réception, par l'antenne 17, des informations transmises par l'émetteur/récepteur 14, fonctionne, par exemple, dans les bandes de fréquences [ 40.55 - 41.5 GHz] et [ 41.5 - 42.45 GHz]. Les données transmises sur la voie montante peuvent être les données relatives à la télévision à péage, ou plus généralement la télévision interactive qui permet à l'usager, I'accès immédiat à des films, à des jeux interactifs, au télé achat, au téléchargement de logiciels mais également à des services tels que consultation de base de données, réservations, etc. La figure 2 représente une vue éclatée schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif 27 selon l'invention. Celui-ci comprend un culot cylindrique 28 dont l'extrémité ouverte est agencée au foyer 29 d'une antenne de réception/émission d'ondes électromagnétiques ( non représentée sur la figure 2). L'extrémité ouverte du culot 28 se prolonge par une partie tronconique ou cornet 30 comportant des discontinuités ou rainures permettant une bonne réception/émission desdites ondes, discontinuités connues en soi et non représentées. Le culot 28 du guide d'ondes est séparé en trois parties 281, 282 et 283. La partie 281 est reliée au cornet 30, la partie 282 est la partie médiane du culot cylindrique 28 et la partie 283 est la partie terminale du guide comprenant une cavité résonante. Entre la première et la seconde parties de guide 281 et 282 est agencée, transversalement à un axe principal 31 du guide 28, une plaque 32 de circuit à microrubans d'émission des ondes électromagnétiques et entre la seconde et la troisième parties de guide 282 et 283 est agencée, transversalement à l'axe 31, une plaque 33 de circuit à microrubans de réception d'ondes électromagnétiques. Ces deux plaques 32 et 33, formant chacune un substrat, sont constituées d'un matériau de permittivité électrique donnée et connu en soi. Lesdites plaques 32 et 33 présentent respectivement une surface supérieure 321, 33, tournées vers l'espace o l'énergie doit être rayonnée ou captée, et une surface inférieure 322, 332 disposée sur l'autre face du substrat. Les surfaces inférieures 321, 33, sont métallisées, formant un plan de masse, et sont en contact avec les parois conductrices du guide 28. Les plaques 32 et 33 sont respectivement alimentées par deux sondes 34, 342 et 351, 352 qui sont respectivement gravées sur les surfaces supérieures 32, 33, des plaques 32, 33 et qui pénètrent à l'intérieur du périmètre du guide 28 par des ouvertures sans toucher la paroi du guide 28. Pour permettre la réception et l'émission d'ondes polarisées orthogonalement, les deux sondes de chacun des couples ( 341, 342) et ( 351, 352) sont disposées à angle droit l'une par rapport à l'autre. Ces deux sondes ( 341, 342), respectivement les sondes ( 351, 352), sont reliées sur la plaque 32, respectivement la plaque 33, par des lignes microrubans ( 361, 362), respectivement ( 371, 372), dont la technologie est connue en soi ( "microstrip technology" en langue anglaise), à un circuit d'émission, respectivement de réception détaillés à la figure 5. Le dispositif 27, incluant les dispositifs de conversion de fréquences pour les deux voies, est connecté à l'unité intérieure 23 située à l'intérieur de l'habitation 18, non représentées. La partie de guide 283 fermant le guide 28 est un tronçon de guide quart d'ondes Xr/4 formant cavité résonante et fonctionnant comme circuit ouvert dans le plan du substrat 33 pour les ondes reçues, kGR représentant la longueur d'onde de l'onde reçue. Par contre, la partie de guide 282 est un filtre électromagnétique permettant d'isoler les sondes 351, 352 des fuites d'énergie dues aux ondes transmises par les sondes 341, 342. Les figures 3a, 3b, 3c, 3d, 3e illustrent schématiquement différents modes de réalisation de filtres électromagnétiques, permettant la réception d'ondes sans subir les effets des perturbations dues au rayonnement des sondes 341, 342 La technique de tels filtres électromagnétiques est explicitée dans l'encyclopédie " Techniques de l'ingénieur " volume E-3-11 E3250 chapitre 2 intitulé " filtres hyperfréquences ". En guides d'ondes, une cavité résonante peut être réalisée en plaçant à une distance déterminée l'un de l'autre deux éléments réactifs. Sur la figure 3a est représenté un filtre passe-bande 38 utilisant plusieurs cavités résonantes couplées inductivement par des iris 39. La distance entre deux iris 39 consécutifs dans le sens de la longueur du guide 28 est choisie de facon à ce que les réflexions entre les deux iris s'annulent à la fréquence de résonance de la cavité. Cette distance est de l'ordre de 1GR/2, XGR étant la longueur d'onde guidée des fréquences reçues par les sondes 35, 352. Le filtre passe bande 38 ainsi réalisé, présentant en outre un tronçon de guide quart d'ondes XGT /4 à son entrée, XGT étant la longueur d'onde des fréquences transmises par les sondes 341, 342, peut être considéré comme un circuit ouvert pour l'énergie rayonnée par lesdites sondes 341, 342 dans le plan du substrat 32, et ne filtre pas pour la bande de fréquences reçues. Il a été jugé opportun d'introduire plusieurs cavités successives séparées par des iris 39, ceci permettant d'améliorer la réponse en fréquences du filtre 38 tout en ayant une coupure plus nette. En effet, plus le nombre d'iris 39 augmente, plus la réponse en fréquences du filtre 38 est raide. Face au compromis entre la performance obtenue grâce à l'augmentation du nombre d'iris 39 et la complexité qui peut en résulter, il est préférable d'utiliser un filtre 38 comportant un nombre d'iris 39 compris entre 2 et 3. Il est à noter que la distance I séparant le dernier iris et la plaque 33 est quelconque, ceci étant vrai pour les filtres suivants. Sur la figure 3b est représenté une vue de dessus d'une coupe horizontale d'une variante du filtre passe-bande 38. Sur la figure 3c est représenté un filtre passe-bande 40 réalisé à l'aide d'une succession de vis 41. Afin de pouvoir effectuer un réglage fin de la fréquence de résonance de chaque cavité, on place ces vis 41 à enfoncement variable se comportant comme des susceptances capacitives de manière à pouvoir optimiser le réglage du filtre 40. Sur la figure 3d est représenté un filtre coupe-bande 50. Ce filtre 50 est réalisé en utilisant des cavités résonantes 501 connectées transversalement au corps du guide 282 par couplage avec des iris 502. Ces cavités sont distantes de l'ordre d'un quart de la longueur d'onde guidée des ondes transmises par les sondes 341 et 342. Sur la figure 3e est représenté un filtre passe-bande 51 appelé ligne à ailettes ( " fineline " en langue anglaise). Ces filtres 51 sont facilement réalisables en insérant dans le plan E du guide d'ondes rectangulaire un substrat 52 métallisé comportant des fenêtres 53. Une plaque métallique ayant une géométrie identique audit substrat 52 peut également être utilisée. La figure 4 représente un schéma synoptique de modes de réalisation de circuits de conversion de fréquence se présentant respectivement sur les circuits à microrubans de réception et d'émission selon l'invention. La figure 4a représente le schéma simplifié du circuit de réception relié aux sondes 351, 352. Dans le présent mode de réalisation, ledit circuit de réception reçoit dans la bande [ 41.5Ghz; 42.45Ghz]. Cette bande, de même que toute valeur numérique citée, ne sont bien entendu à considérer qu'à titre d'exemples pour la clarté de la description et ne peuvent constituer une limitation dans la portée de la présente demande. Les signaux reçus sur les sondes 351, 352 sont transmis à un mélangeur 42 dont une deuxième entrée est reliée à un oscillateur 43 à la fréquence de 40.55 Ghz. La sortie du mélangeur 42 est reliée à une entrée d'un amplificateur à faible bruit 430 dont la sortie fournit un signal dont la bande de fréquence intermédiaire est de [ 950Mhz; 1950Mhz] et qui est reliée à l'unité intérieure 23 par le câble 22. La figure 4.b représente le schéma simplifié du circuit d'émission du dispositif 27 relié aux sondes 341, 342. La bande de fréquences des signaux intermédiaires provenant de l'unité interieure 23 est de [ 450Mhz; 500Mhz]. Ces signaux attaquent un premier mélangeur 44 dont une deuxième entrée est reliée à un oscillateur 45 à la fréquence de 2.4 Ghz et dont la sortie est connectée à une entrée d'un amplificateur à faible bruit 46. La sortie de ce dernier attaque un mélangeur 47 dont une deuxième entrée est reliée à un oscillateur 48 à la fréquence de 37. 6 Ghz. La sortie de ce mélangeur 47 est relié à un amplificateur 49 dont la sortie fournit les signaux à émettre aux sondes 341, 342 dans la bande de fréquences [ 40.45Ghz; 40.5Ghz]. Il est certain que différentes autres configurations sont envisageables suivant le plan de fréquences établi, telles que - une bande de réception [ 40.55Ghz; 41.5Ghz] et une bande d'émission [42.45Ghz; 42. 5Ghz], - une bande de réception [ 41.5Ghz; 42.45Ghz] et une bande d'émission [ 40.5Ghz; 40.55Ghz]. A ces hautes fréquences de réception/émission, les filtres actuels doivent bénéficier d'un espace fréquentiel d'un Gigahertz approximativement entre la bande de réception et celle d'émission. Les différentes configurations de plan de fréquence, ainsi que d'autres non mentionnées, doivent respecter cette dernière condition. Selon une variante de l'invention, le système de réception/émission selon l'invention peut comprendre une lentille électromagnétique au foyer 29 sensiblement de laquelle est agencé le dispositif 27 selon l'invention. Le fonctionnement du dispositif 27 selon l'invention est le suivant Les ondes électromagnétiques arrivant sur l'antenne 19 sont focalisées au foyer de cette dernière pour être guidées le long du guide 28. Ces ondes traversent le filtre 282 qui peut être un filtre passe- bande laissant passer uniquement la bande de fréquences de réception, un filtre coupe-bande coupant la bande de fréquences d'émission ou un filtre passe-haut, respectivement passe-bas, dans le cas o la bande d'émission est choisie, dans le plan de fréquence, de manière à ce que les fréquences d'émission soient inférieures, respectivement supérieures, aux fréquences de réception. Lesdites ondes sont alors reçues et captées par les sondes 351, 352 qui délivrent au circuit de conversion de fréquences, de la figure 4a par exemple, un signal de réception destiné à être transmis, après conversion en fréquences intermédiaires, à l'unité intérieure 23. Simultanément, les signaux provenant de ladite unité 23 traversent le circuit de conversion de fréquence, de la figure 4b par exemple, et fournissent aux sondes 341, 342 des ondes à transmettre vers l'antenne source 29. L'énergie rayonnée par ces sondes du côté du filtre 282 est atténuée voire complètement filtrée de manière à ce que les fuites des ondes émises soient suffisamment faibles pour ne pas entraîner de perturbations pour le circuit de réception. A titre d'exemple, on considérera que les perturbations sont négligeables si les ondes _gX 2773270 transmises par les sondes 341, 342 sont atténuées de 70dB par rapport à leur niveau initial lors de l'émission. Bien entendu, I'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que le guide peut être de toute forme permettant une bonne réception/émission des ondes électromagnétiques. A titre d'exemple, le guide peut être rectangulaire si une polarisation est à privilégier par rapport à une autre. De même, I'axe du guide peut être coudé. En outre, le cornet 30 peut être de toute sorte, tel qu'un cornet à gorges, ou peut être remplacé par une lentille électromagnétique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de réception/émission, caractérisé en ce qu'il comporte un guide d'ondes (28) couplé à un circuit de réception (33) à microrubans et à un circuit d'émission (32) à microrubans, lesdits circuits (32, 33) étant agencés respectivement dans une première section droite et une seconde section droite dudit guide (28). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de filtrage agencés de sorte que les ondes transmises par ledit circuit d'émission (32) soient suffisamment atténuées, du côté du circuit de réception (33), pour ne pas perturber ledit circuit de réception (33). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit d'émission (32) est agencé en amont du circuit de réception (33) dans le sens de réception desdites ondes. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de filtrage comprennent un filtre (282) à cavité en guide d'ondes agencé entre lesdits circuit d'émission (32) et de réception (33). 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de filtrage comprennent un filtre (38) à cavités résonantes, chaque cavité étant de longueur XGR/2 et placée entre au moins deux iris (39), ledit filtre (38) étant destiné à former un filtre passe-bande sensiblement centré sur la fréquence de l'onde reçue par le circuit de réception (33). 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de filtrage comprennent un filtre (40) à cavité à vis (41), ledit filtre (40) étant destiné à former un filtre passe-bande sensiblement centré sur la fréquence de l'onde reçue par le circuit de réception (33). 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de filtrage comprennent un filtre (50) à cavités résonantes formé par au moins deux cavités résonantes (501) connectées transversalement au corps du guide (282) par couplage avec des iris (502) et espacées de kGT/4, destiné à former un filtre coupe-bande sensiblement centré sur la fréquence de l'onde émise par le circuit d'émission (32). 8. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de filtrage comprennent un filtre (51) de type lignes à ailettes comprenant au moins un résonateur réalisé sur un substrat métallisé (52) ou une plaque métallique à fente insérée dans le plan E du guide d'ondes, destiné à former un filtre passe-bande sensiblement centré sur la fréquence de l'onde reçue par le circuit de réception. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte deux sondes (351, 352), respectivement deux sondes (341, 342), disposées sur le circuit (33), respectivement le circuit (32) et à angle droit l'une par rapport à l'autre et aptes à recevoir, respectivement émettre, des ondes polarisées orthogonalement. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les sondes (351, 352), respectivement les sondes (341, 342), sont gravées sur le substrat du circuit (33) à microrubans, respectivement du circuit (32) à microrubans. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque circuit (33, 32) à microrubans comporte un circuit de conversion de fréquences. 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit guide d'ondes (28) est fermé par une cavité (283) quart d'ondes (XGR/4) de longueur égale au quart de la longueur d'onde guidée (XGR) de l'onde reçue. 13. Système de réception/émission d'ondes électromagnétiques comportant des moyens de focalisation d'ondes, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes. 14. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de focalisation comportent un réflecteur parabolique et en ce que ledit dispositif est agencé sensiblement au foyer (29) dudit réflecteur parabolique (19). 15. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits moyens de focalisation comportent une lentille électromagnétique et en ce que ledit dispositif est agencé sensiblement au foyer (29) de ladite lentille électromagnétique.