Brevet FR2829298A1 — publié le 20030307

configuration prédéterminée attendue. La présente invention concerne un dispositif de commutation pour des appareils de réception eVou d'émission de signaux utilisables plus particulièrement dans le domaine des transmissions sans fil. s Dans les systèmes connus de transmissions sans fil à haut débit utilisables notamment en milieu domestique, les signaux transmis par l'émetteur atteignent le récepteur selon une pluralité de trejets distincts. Il en résulte au niveau du récepteur des interférences susceptibles de provoquer des évanouissements et des distorsions du signal transmis et par o conséquent une perte ou une dégradation de l'information à transmettre. Pour remédier à cet inconvénient, on utilise le plus souvent des antennes directives de type à cornet, à réflecteur ou à réseau, ces antennes étant utilisoes à l'émission eVou la réception et permettant de combattre ou d'atténuer les dégradations liées aux multi-trajets. En effet, outre le gain apporté par l'antenne directive, celle-ci permet par filtrage spatial, d'une part de réduire le nombre de multi-trajets, et donc de rébuire le nombre d'évanouissements, et d'autre part de réduire les interférences avec d'autres systèmes fonctionnant dans la même bande de fréquence. Les antennes directives ne permettant pas d'assurer une couverture o spatiale en azimut importante, on a donc proposé dans la demande de brevet français n 00 15715 déposée au nom de la demanderesse, une antenne sectorielle compacte à base d'antennes de type Vivaldi. Cette antenne est constituée d'un arrangement circulaire "centrifuge" de n éléments rayonnants imprimés de type antenne Vivaldi (n entier supérieur à s 2) permettant de présenter séquentiellement dans le temps plusieurs faisceaux directifs. L'ensemble des faisceaux permet une couverture complète (à 360 ) de l'espace. La fonction de commutation se fait grâce à un commutateur extérieur à l'antenne. Ce commutateur est en général, constitué de diodes associées à des circuits additionneur/diviseur de puissance et à une électronique de commande comportant au moins n ports permettant de sélectionner une ou plusieurs antennes Vivaldi parmi les n. Pour assurer des performances 2 2829298 acceptables en termes d'adaptation, souvent plus d'une diode sont utilisées sur chaque port. De plus, aux pertes de couplage de la transition ligne micro ruban ligne-fente nécessaire pour l'excitation des antennes Vivaldi, s'ajoutent les pertes des circuits additionneurs/diviseurs de puissance. Enfin, le contrôle de 1'état des diodes (passant ou bloqué) se fait par des tensions de polarisation. Afin de pouvoir isoler les tensions apportées sur chaque port, des circuits bloquant le courant continu ("DC-block" en anglais) sont utilisés. Ceux-ci introduisent des pertes supplémentaires. Ainsi cette fonction de commutation est souvent coûteuse de par le o prix des diodes et les coûts de réalisation, et encombrante à cause des circuits de polarisation et des circuits additionneurs/diviseurs de puissance. Elle introduit par ailleurs des pertes de puissance non négligeables: des pertes dans les circuits diviseurs/additionneurs, des pertes dues aux DC block et des pertes dans les diodes. Ces pertes se traduisent en réception par une augmentation de la température de bruit du récepteur, et à 1'émission par une perte sèche de la puissance à transmettre qui nécessite un sur dimensionnement de l'amplificateur de puissance qui peut présenter un surcoût très significatif. La présente invention a donc pour but de proposer un dispositif de o commutation pour des appareils de réception et/ou d'émission de signaux permettant de réduire le coût, I'encombrement et les pertes diverses. En conséquence, la présente invention a pour objet un dispositif de réception eVou d'émission de signaux comprenant: - un ensemble de n moyens de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinal du type antenne à fente, avec n entier supérieur ou égal à un - un moyen d'excitation couplé électromagnétiquement à au moins la fente d'une antenne à fente; caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de commutation qui agit par contrôle du couplage électromagnétique entre le moyen d'excitation et au moins une fente de l'antenne à fente. 3 2829298 Selon un mode de réalisation, le moyen d'excitation est constitué par une ligne d'alimentation de type micro-ruban. Selon une variante, il pourra être constitué par une ligne de type coplanaire. Selon un autre mode de réalisation, I'antenne à fente est constituée par au moins une fente, imprimée sur un substrat, dont une extrémité s'évase progressivement jusqu'au bord de ce substrat alors que i'autre extrémité, elle aussi non fermée, se prolonge jusqu'à un autre bord du substrat. Selon un perfectionnement, le dispositif de commutation comprend o - des moyens pour réaliser un contact électrique réversible entre deux surfaces métallisées délimitant une fente de l'antenne à fente, pour la description, il s'agira de diodes; - des moyens pour commander l'état du contact cité au dessus. s Selon un autre mode de réalisation, les antennes à fente sont réqulièrement agencées autour d'un point unique et coplanaire, de manière à pouvoir rayonner dans un secteur d'angle de 360 . D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention appara'^tront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, o cette description étant faite ci-après avec référence aux dessins ciannexés dans lesquels: -la figure 1 représente le dispositif de commutation pour une antenne à fente. -la figure 2 représente un dispositif de commutation pour un s arrangement circulaire d'antennes à fente. -la figure 3 représente un dispositif de commutation pour un arrangement circulaire d'antennes à fente incluant les moyens de commande. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une antenne de type Vivaldi imprimée sur un substrat 3. La structure et les performances de l'antenne Vivaldi sont bien connues de l'homme de l'art et sont décrites notamment dans les documents " IEEE Transactions on Antennas and Propagation" de S. Prasad et S. Mahpatra, Volume 2 AP-31 n 3, Mai 1983 4 2829298 et " Study of Discontuinities in open waveguide - application to improvement of radiating source model " de A. Louzir, R. Clequin, S. Toutain et P. Gélin, Lest Ura CNRS n 1329. L'alimentation de l'antenne Vivaidi de la figure 1 s'appuie sur l'utilisation d'une transition entre une ligne d'alimentation du type s micro-ruban 7 et une fente 6. Pour optimiser la transmission d'énergie de la ligne micro-ruban vers la fente, I'extrémité non évasée de la fente se prolonge perpendiculairement à la ligne micro-ruban d'une longueur L2 de l'ordre de, à la fréquence de fonctionnement, k'\s/4 par rapport à la ligne micro-ruban avec s = X0/ú1 reff (avec \0 la longueur d'onde dans le vide et o E1reff la permittivité relative effective de la fente) et k' un entier impair. La ligne microruban, quant à elle, se prolonge jusqu'à un circuit ouvert situé à une longueur L1 de l'ordre de km/4 de la fente o m = ?O/úreff (avec \0 en longueur d'onde dans le vide et úreff la permittivité relative effective de la ligne) et k est un entier impair. L'autre extrémité de la ligne micro-ruban s est connectée à des moyens d'émission eVou de réception 5 de signaux de type connu, comportant notamment un amplificateur de puissance. On se réfèrera pour de plus amples détails sur l'optimisation du couplage au document ''Slot-Line Transitionst' de Knorr, IEEE, MTT,Vol.22, p.548- 554, Mai 1974 et au document 'A Novel MIC Slot-Line Antenna' de o Prasad et Mahapatra. Dans les conditions décrites ci-dessus et présentées dans la figure 1, afin de réaliser le couplage, I'extrémité non évasée de la fente située à la longueur k'\s/4 de la ligne micro-ruban doit être terminée par un court-circuit. Si cette extrémité est termince par un circuit ouvert alors il n'y pas de couplage entre la ligne micro-ruban et la fente. C'est sur ce contrôle du couplage que repose l'invention. Afin de simuler un court-circuit ou un circuit ouvert, I'extrémité de la fente n'est pas métallisée et on dispose en travers de la fente à une longueur de l'ordre de k'\s/4 un dispositif 4 permettant de simuler le court-circuit ou le circuit ouvert décrit précédemment. Dans la figure 1, on a disposé une diode so 4 mais il peut tout aussi bien s'agir de tout autre interrupteur comme par exemple un transistor monté en diode ou des MEMs (de l'anglais "Micro s 2829298 Electromechanical Systems"). Le dimensionnement de l'antenne à fente avec des longueurs en quart d'onde permet selon la théorie développée par Knorr de ramener au niveau du croisement de la ligne micro-ruban et de la fente l'impédance opposée à celle située un quart d'onde plus loin: par exemple, le circuit ouvert situé à l'extrémité de la ligne micro-ruban est équivalent à un courtcircuit situé au croisement. De plus, la théorie des lignes permet d'affirmer que le couplage est maximum lorsque, au niveau du croisement, I'impédance équivalente de la ligne micro-ruban est un court-circuit et celle de la fente est un circuit-ouvert. Ainsi, Le couplage a lieu lorsque la diode est o passante, c'est à dire lorsque la fente présente un circuit ouvert au niveau du croisement, et que la ligne micro-ruban présente un court-circuit au niveau du croisement. A l'inverse, il n'y a pas couplage lorsque la diode est bloquce. On peut donc contrôler le couplage et donc le fonctionnement de l'antenne en contrôlant la polarisation de la diode. Pour cela, il suffit d'appliquer aux deux surfaces métallisées 1 et 2 des potentiels bien choisis. On peut par exemple choisir d'appliquer à la plaque 2 soit le potentiel Vcc supérieur à V la tension de polarisation de la diode si on veut qu'elle soit passante, soit relier la surface 2 à la masse si on veut que la diode soit bloquée, la surface 1 étant toujours reliée à la masse. o On dispose ainsi d'un dispositif de commutation comportant un circuit de commande simple puisqu'il contrôle l'application de deux potentiels à des surfaces métallisées, peu encombrant et peu cher car il est composé d'une seule diode. Une amélioration de la présente invention est de réaliser une antenne à fente permettant de couvrir séquentiellement l'espace à 360 . On a proposé dans la demande de brevet français n 00 15715 déposée au nom de la demanderesse, une antenne compacte permettant d'augmenter l'efficacité spectrale du réseau en réutilisant les fréquences so grâce à une segmentation de l'espace physique à couvrir par le diagramme de rayonnement de l'antenne sectorielle. L'antenne proposée dans la demande de brevet français n 00 15715 est constituée d'un arrangement 6 2829298 circulaire coplanaire autour d'un point central d'éléments rayonnants imprimés de type Vivaldi permettant de présenter séquentiellement dans le temps plusieurs faisceaux directifs, I'ensemble des faisceaux donnant une couverture complète à 360 de l'espace. s Les moyens de réception eVou d'émission sont constitués par une ligne micro-ruban ou une ligne coplanaire croisant l'ensemble des fentes des antennes imprimées à fentes constituant les moyens de réception eVou d'émission, la longueur L3 de la ligne entre deux fentes étant égale, à la fréquence centrale de fonctionnement du système, à k m/2 et la longueur o L4 de la ligne entre une extrémité de la ligne et une fente étant de l'ordre de ?m/4 o m = \0/:lúreff (avec \0 en longueur d'onde dans le vide et sreff la permittivité relative effective de la ligne) et k est un entier. De préférence, la longueur de la ligne entre deux fentes est égale à k m de manière à obtenir un fonctionnement en phase des antennes imprimées à fente. Dans ce cas, le croisement entre la fente de l'antenne imprimoe à fente et la ligne est de préférence réalisé, à la fréquence centrale de fonctionnement du système, à une distance L5 de l'ordre de k'?s/4 de l'extrémité intérieure de la fente avec ?s = X0/>ls1reff (0 la longueur d'onde dans le vide et s1reff. Ia permittivité relative effective de la fente) et k' un entier impair. L'amélioration proposée ici concerne le système de commutation proposé dans la précédente demande de brevet et consiste en une extension du principe proposé dans ia présente invention à plusieurs antennes. La présente amélioration consiste en effet à intégrer ce système de commutation directement à l'antenne afin de diminuer l'encombrement et les pertes en puissances liées à la fonction de commutation. On ne détaillera pas le système externe (5, 9) permettant de choisir le mode réception ou émission de l'antenne qui se fait directement sur la ligne micro-ruban, seul le moyen de commutation sera décrit par la suite. o A la différence de la demande de brevet français n 00 15715, les extrémités intérieures des fentes constituant les antennes Vivaldi de la présente amélioration ne sont pas terminées par un court-circuit: le centre 7 2829298 de l'antenne globale est dépourvu de métallisation ce qui permet d'isoler les différentes plaques métallisoss (M12, M23, M34, M41) formant les fentes (A1, A2,A3,A4) et donc de terminer chacune d'elles par un circuit ouvert. La commutation se fait alors par contrôle du couplage électromagnétique entre la ligne micro-ruban et la fente excitatrice de l'antenne type VivalUi. Le principe de commutation reste le même que pour une seule antenne à fente, il est toujours réalisé par la mise en place d'une diode (D1,D2,D3,D4)ou de tout autre interrupteur en travers de la fente à une distance de l'ordre de k'\s/4 de la ligne micro-ruban (k' un entier impair) formant chaque antenne et o permettant de relier les deux surfaces métallisées formant l'antenne. Le contrôle de la commutation entre la ligne micro-ruban d'entrée/sortie vers l'une des antennes Vivaldi respectivement réceptriceslémettrices se fait en mettant la diode correspondant à l'antenne choisie à l'état passant et en maintenant les autres diodes à l'état bloqué. La commutation des diodes en s elles-mêmes se fait par application de potentiels de polarisation (V12,V23, V34, V41) aux différentes surfaces métallisées (respectivement M12, M23, M34, M41). En faisant varier les potentiels de deux surfaces consécutives, on peut rendre la diode reliant ces deux surfaces soit bloquée, soit passante. On peut étendre la description au cas de n fentes (n étant un entier supérieur o ou égal à un) et en plus, choisir de rendre active m antennes (m étant un entier strictement inférieur à n) parmi les n présentes. On va prendre l'exemple simple à quatre fentes comme sur la figure 2 pour illustrer la sélection en réception ou en émission de l'antenne Vivaldi A1. Le contrôle de la commutation entre la iigne micro-ruban 8 d'entrée/sortie vers l'antenne Vivaldi A1, se fait en mettant la diode D1 à l'état passant et en maintenant les diodes D2,D3,D4 à l'état bloqué. Cela est rendu possible par l'application d'un potentiel de polarisation à chaque surface métallisée. Ainsi, la surface M12 est mise au potentiel V12, M23 à V23, M34 à V34, M41 à V41. En effet quand la différence de potentiels de polarisation (V12 - V41) o est telle que la diode D1 est à l'état passant ( soit par exemple (V12-V41)> V1, o V1 est la tension de polarisation de la diode D1), la diode est équivalente à un court-circuit. Pour les autres diodes, la différence de 8 2829298 potentiels est inférieure à la tension de polarisation des diodes. Pour simplifier le circuit de commande 10 des potentiels de polarisation, il sufffit d'appliquer un potentiel Vcc > V1 à la surface M12, et de relier toutes les autres surfaces à la masse du circuit. En appliquant les principes du couplage entre une ligne micro-ruban 8 et une fente, rappelés dans la description de la présente invention, dans les conditions décrites cidessus, le couplage est maximum au niveau de l'antenne A1 et minimum au niveau des trois autres antennes A2, A3 et A4. On a ainsi sélectionné en émission ou en réception une seule antenne parmi les quatre afin de respectivement émettre ou recevoir. La sélection d'une antenne parmi quatre est illustrée par le tableau ci-dessous en référence à la figure 3 donnant des valeurs de potentiel à appliquer aux différentes surfaces métallisées pour réaliser la commutation: - Potentiel appliqué aux plaques Mij M12 M23 M34 M41 A1 Vcc 0 0 0 A2 0 Vcc 0 0 fente excitée A3 0 0 Vcc 0 A4 0 0 0 Vcc Le dispositif nécessaire à la présente amélioration est constituée de 4 diodes qui sont implantées en travers des fentes, et d'un petit circuit de commande permettant de gérer les différents potentiels des surfaces o métallisées. Ce dispositif 10 peut étre inséré au milieu de l'antenne puisque celui-ci est constitué de substrat, afin de limiter au maximum la longueur des fils de con nexion. Le d ispos itif de com mutation com p let est do nc très peu 9 2829298 encombrant et réduit les pertes du fait du nombre réduit de diodes et de la simplicité du circuit de commande des potentiels de polarisation. Selon un perfectionnent de la présente invention, on peut d'autre part choisir de rendre active m antennes (m étant un entier strictement inférieur à n) parmi les n présentes. On peut reprendre l'exemple simple développé précédemment avec quatre fentes et choisir de rendre active en même temps deux de ces fentes. Il suffit alors de reprendre le même montage que décrit précédemment et de modifier le circuit de commande afin qu'il puisse appliquer, pour l'exemple à quatre fentes, trois potentiels différents: un o potentiel nul, c'est-à-dire relier la surface métallisée à la masse, un potentiel Vcc avec Vcc supérieur à la plus grande des tensions de polarisation des diodes si elles sont différentes, et un potentiel égal à deux fois Vcc. Le tableau ci-dessous, en référence à la figure 3 permet d'illustrer cette sélection de deux fentes parmi quatre en donnant des valeurs de potentiels à appliquer aux différentes plaques afin de sélectionner les fentes voulues: Potentiel appliqué aux piaques Mij A1 et A2 Vcc 2*Vcc 0 0 A1 et A3 Vcc 0 V 0 fentes A1 et A4 2*Vcc 0 0 Vcc excitées A2 et A3 Vcc 2*Vcc 0 A2 et A4 0 Vcc 0 Vcc A3 et A4 0 0 Vcc 2*Vcc On obtient ainsi un système de commutation entre les différentes fentes de l'antenne compiète relativement simple puisque le circuit de o commande est réduit à un sélectionneur de tension qui peut être insérer au milieu des surfaces métallisées comme sur la figure 3 afin de réduire 0 2829293 I'encombrement du circuit, de plus les pertes en puissances sont réduites à celles dues au couplage que l'on ne peut pas modifier et à celles dues à la polarisation des diodes dont le nombre est réduit par rapport aux dispositifs de commutation proposé dans l'art antérieur. Il est évident pour l'homme de l'art que les modes de réailsation décrits ci-dessus peuvent être modifiés, notamment en ce qui concerne le nombre d'antennes Vivaldi ou le type d'alimentation de la structure, etc., sans sortir du cadre des revendications ci-après. REVEN DICATIONS 1 - Dispositif de réception eVou d'émission de signaux comprenant: s - un ensemble de n moyens de réception et/ou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinal du type antenne à fente, avec n entier supérieur ou égal à un (6; A1, A2, A3 A4); - un moyen d'excitation couplé électromagnétiquement à au moins la fente d'une antenne (7; 8); o caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de commutation qui agit par contrôle du couplage électromagnétique entre ledit moyen d'excitation et au moins une fente de l'antenne à fente. s 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen d'excitation est constitué par une ligne d'alimentation de type ligne coplanaire ou de type ligne micro-ruban. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, o caractérisé en ce que l'antenne à fente est constituée par au moins une fente, imprimée sur un substrat 3, dont une extrémité s'évase progressivement jusqu'au bord de ce substrat alors que l'autre extrémité, elle aussi non fermée, se prolonge jusqu'à un autre bord du substrat 3. s 4 - Dispositif selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le croisement entre une fente de l'antenne imprimée à fente et la ligne micro ruban est réalisé, à la fréquence centrale de fonctionnement du système, à une distance (L2, L5) de l'ordre de k'\s/4 de l'extrémité non évasoe de la fente avec s = \0/11reff (0 la longueur d'onde dans le vide et s1reff. Ia so permittivité relative effective de la fente) et k' est un entier impair. 12 2829293 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la longueur de ligne (L1, L4) entre une extrémité de la ligne micro-ruban et une fente est de l'ordre de km/4 o ?;m = X0/> lsreff avec L0 la longueur d'onde dans le vide et sreff la permittivité relative effective de la ligne micro-ruban et k est un entier impair. 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les n moyens de réception (A1, A2, A3, A4) et/ou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinal du type antenne imprimée à fente sont agencés o pour recevoir un secteur large en azimut. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de commutation permet de rendre actif en même temps m moyens de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinal du type s antenne imprimée à fente parmi les n présents, avec m entier inférieur à n. 8 - Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les antennes à fente sont réqulièrement agencoes autour d'un point unique et coplanaire, de manière à pouvoir rayonner dans un secteur d'angle de 360 . 9 - Dispositif selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le dispositif de commutation comprend - des moyens (4, D1, D2, D3, D4) pour rénliser un contact électrique réversible entre deux surfaces métallisées délimitant une fente de l'antenne à fente; - des moyens (10) pour commander l'état du contact précédemment cité. o 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de réaliser un contact électrique réversibie entre deux surfaces métallisées délimitant une fente de l'antenne à fente sont disposés en travers 13 2829293 de la fente à une distance proche de k'?s/4 de la ligne micro-ruban, avec s=\O/1ú1reff (70 la longueur d'onde dans le vide et s1reff. Ia permittivité relative effective de la fente) et k' est un entier impair. 11 - Dispositif selon la revendication 1 0, caractérisé en ce qu'un moyen pour réaliser un contact électrique réversible entre deux surfaces métallisses délimitant une fente de l'antenne est un interrupteur commandé ( 4, D1, D2, D3, D4). o 12 - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'un moyen pour réaliser un contact électrique réversible entre deux surfaces métallisées délimitant une fente de l'antenne est une diode, un transistor monté en diode ou un MEMs (de l'anglais "Micro Electromechanical Systems). 13 - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le :;..,..;, moyen (10) pour commander.!'état ducontact réversible d'une fente est . d'appliquer aux deux surfaces métallisées délimitant cette fente un potentiel permettant la fermeture de l'interrupteur commandé. 14 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13,