Brevet FR2831734A1 — publié le 20030502

La présente invention concerne un système d'antennes pour la transmission de signaux électromagnétiques utilisable dans le domaine des transmissions sans fils, notamment dans le cas des transmissions dans un s milieu clos ou semi-clos tels que les milieux domestiques, les gymnases, les studios de télévision, les salles de spectacles ou similaires. Dans les systèmes connus de transmission sans fils à haut-débit, les signaux transmis par l'émetteur atteignent le récepteur selon une pluralité de chemins distincts. Lors de leur combinaison au niveau du o récepteur, les différences de phases entre les différents rayons ayant parcouru des chemins de longueurs différentes, donnent lieu à une figure d'interférence susceptible de provoquer des évanouissements ou une dégradation importante du signal. D'autre part, I'emplacement des évanouissements change au s cours du temps en fonction des modifications de l'environnement telles que la présence de nouveaux objets ou le passage de personnes. Ces évanouissements dus aux multitrejets peuvent entraner des dogradations importantes, tant au niveau de la qualité du signal reçu qu'au niveau des performances du système. o Pour lutter contre les évanouissements, la technique la plus souvent utilisée est une technique à diversité spatiale. Cette technique consiste entre autres à utiliser une paire d'antennes à large couverture spatiale telle que deux antennes du type pastille ou " patch " associées à un commutateur. Les deux antennes sont espacées d'une longueur qui doit s être supérieure ou égale à \0/2 o \0 est la longueur d'onde correspondant à la fré quence de fonctionnement de l' antenne. Avec ce type d' antenne, on peut montrer que la probabilité d'avoir les deux antennes simultanément dans un évanouissement est très faible. D'autre part, grâce au commutateur, il est possible de sélectionner la branche reliée à l'antenne 2 2831734 présentant le niveau du signal le plus élevé en examinant le signal reçu par l'intermédiaire d'un circuit de contrôle. La solution ci-dessus a pour principal inconvénient d'être relativement volumineuse. Aussi, la demanderesse a proposé diverses solutions alternatives à la solution décrite ci-dessus. Ces solutions s'appliquent aux antennes du type fente alimentée par une transition ligne/fente et qui permettent d'obtenir une diversité de rayonnement. Des études ont aussi été réalisées sur une antenne de type fente telle qu'une fente annulaire est l'alimentée par une transition ligne/fente o tangentielle. Une antenne de ce type est représentée à la figure 1. Cette antenne est réalisée sur un substrat 1 tel que le substrat Chukoh Flo CGP500 présentant un Er = 2.6, TanD = 0.0018 et une hauteur h = 0.76mm. Elle comporte une fente annulaire 2 dont le périmètre est de l'ordre de k'\ms avec k' un entier et s la longueur guidée dans la fente. s Comme représenté sur la figure 1, cette fente annulaire 2 est alimentée par une transition ligne-fente sensiblement tangentielle au point P. La transition ligne/fente est constituée par une ligne microruban 3 réalisée sur le substrat 1, cette ligne microruban se trouvant à une distance y du point de tangence à la fente 2. La longueur de la ligne microruban 3 entre o son extrémité 3' et le point P est de l'ordre de km/4 avec k un entier impairet m la longueur d'onde guidée de la ligne microruban. D'autre part, I'impédance caractéristique de la ligne microruban est choisie de manière à ramener 50 Ohms au niveau du port 1. Dans ce cas, le couplage entre la fente et la ligne microruban est de type électromagnétique. Pour avoir un s couplage maximum entre la ligne microruban excitatrice et la fente, il faut se placer dans un plan de court-circuit pour la ligne microruban. Ainsi, I'optimisation du couplage se fait par ajustement de la distance y entre la fente 2 et la ligne excitatrice 3. Le couplage ayant lieu sur une certaine zone de part et d'autre du plan de court-circuit pour la ligne microruban, on obtient 3 2831734 un comportement à large bande pour l'antenne ainsi excitée, comme donné dans le tableau 1 ci-après: Tableau 1 Y(mm) -0,25 +0,25 +0,5 Largeur de bande 14,3 14 12 9,5 d'adaptation (%) Sur la figure 2, on a aussi représenté le coemcient de réflexion S11 d'une fente annulaire 2 en fonction de la fréquence pour les différentes valeurs de y données dans le tableau 1. Ces courbes donnent l'adaptation de la fente annulaire auxdites valeurs. Dans cette étude, il est simplement o mentionné que deux fentes annulaires excitées symétriquement par une ligne d'alimentation tangentielle rayonnent en opposition de phase. Il en résulte donc un rayonnement dans l'axe nul. Or, contrairement à cette affirmation, la demanderesse s'est aperçue que, dans une structure du type ci-dessus avec un positionnement de la ligne microruban par rapport aux fentes tel que l'on se trouve dans un plan de court-circuit de la ligne microruban, les deux fentes annulaires rayonnent en phase, ce qui donne un rayonnement constructif selon l'axe présentant une polarisation linéaire de très haute pureté. La présente invention concerne donc un système d'antennes o pour la transmission de signaux électromagnétiques utilisant des antennes de type fente alimentée par une transition ligne/fente telles que décrites ci- dessus permettant d'obtenir des antennes à large bande de fréquence, compacte et avec une polarisation linéaire de très haute pureté. La présente invention concerne aussi une nouvelle topologie d'antennes telles que décrites ci-dessus, permettant d'obtenir un dispositif compact à diversité de rayonnement en réception. 4 2831734 La présente invention a pour objet un système d'antennes pour la transmission de signaux électromagnétiques comportant un premier moyen pour la transmission des signaux du type antenne fente et une première ligne d'alimentation pour connecter ledit premier moyen à des moyens d'exploitation des signaux, la première ligne d'alimentation étant couplée électromagnétiquement par une transition ligne/fente au premier moyen pour la transmission des signaux du type antenne-fente, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième moyen pour la transmission des signaux du type antenne-fente symétrique du premier moyen par rapport à un premier point o P. le deuxième moyen étant couplé électromagnétiquement par une transition ligne/fente avec ladite première ligne d'alimentation qui se trouve dans un plan passant par le premier point de symétrie, ladite transition se trouvant proche du plan de court-circuit de la ligne d'alimentation. Selon une autre caractéristique de la présente invention permettant d'obtenir une diversité de rayonnement en émission, le système comporte un troisième moyen pour la transmission d'ondes électromagnétiques du type antenne-fente alimentée par une transition o ligne/fente, symétrique d'un des deux moyens pour la transmission d'ondes électromagnétiques par rapport à un deuxième point et une deuxième ligne d'alimentation connectée en commun avec la première ligne d'alimentation aux moyens d'exploitation des signaux, la deuxième ligne d'alimentation étant couplée électromagnétiquement aux moyens de transmission d'ondes électromagnétiques du type antenne-fente alimentée par transition ligne/fente et se trouvant dans un plan passant par le deuxième point de symétrie, I'extrémité libre de la première et de la deuxième ligne d'alimentation étant connectée à un composant permettant de simuler un s 2831734 court-circuit ou un circuit ouvert au bout d'une des lignes et un circuit ouvert ou un court-circuit au bout de l'autre ligne. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, la longueur de chaque ligne d'alimentation entre le composant et le point de s symétrie est de l'ordre de km/4 avec k un entier et m la longueur d'onde guidée dans la ligne, de manière à ramener un plan de court-circuit ou de circuit ouvert électrique selon l'état du composant dans le plan contenant les points de symétrie.. Dans ce cas, si la ligne mesure km/4 avec k=2, il suffit d' inversé l'état des diodes pour retrouver le mê me comportement. Ainsi, o pour k=1 une diode passante (CC) plus une ligne quart d'onde donne un circuit ouvert CO au niveau de la transition, pour k=2 une diode bloquée (CO) plus une ligne Selon une autre caractéristique de l' invention, les moyens de transmission d'ondes électromagnétiques du type antenne fente alimentée par une transition ligne/fente sont constitués par une fente de forme annulaire ou polygonale, la forme polygonale pouvant être un rectangle ou un carré ou toute autre forme polyponale connue. D'autre part, le périmètre de la fente a une longueur d'onde de l'ordre de k'\s avec k' un entier et s la longueur d'onde guidée dans la fente. Selon une autre caractéristique supplémentaire de la présente invention, le dispositif comporte de plus une troisième ligne d'alimentation reliée à un moyen d'émission et couplée électromagnétiquement au moyen de transmission d'ondes électromagnétiques central par une transition ligne/fente. Selon des modes de réalisation préférentiels, le composant est constitué par une diode, un transistor, un commutateur électronique, un système micro-électromécanique. D'autre part, les lignes d'alimentation sont réalisées en technologie microruban ou en technologie coplanaire. 6 2831734 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparatront à la lecture de divers modes de réalisation, cette lecture étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: Figure 1 déjà décrite est une vue en plan de dessus schématique s d'une fente annulaire alimentée tangentiellement selon l'art antérieur. Figure 2 représente des courbes donnant le coefflcient de réflexion S11 en fonction de la fréquence d'une fente annulaire pour différentes valeurs de y, dans le cas du dispositif de figure 1. Figure 3 est une vue en plan de dessus schématique de deux o fentes annulaires avec alimentation tangentielle, conforme à un premier mode de réalisation. Figures 3A et 3B sont respectivement une courbe donnant le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence ainsi que le diagramme de rayonnement d'un système d'antenne selon la figure 3. s Figure 4 est une vue en plan de dessus schématique d'une topologie d'antennes selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention. Figure 5 est une courbe donnant le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence de la topologie représentée à la figure 4. o Figure 6 représente le rayonnement des trois états de l'antenne de figure 4. Figure 7 est une vue en plan schématique de dessus d'un autre mode de réalisation de la présente invention. Figure 8 est une courbe donnant les coefficients de réflexion de s l'antenne de figure 7 en fonction de la fréquence lorsque les diodes 25 et 26 de la figure 7 sont dans l'état passant, et la diode 33 dans l'état bloqué, et Figure 9 représente le diagramme de rayonnement de l'antenne de figure 7 lorsque les diodes 25 et 26 de la figure 7 sont dans l'état passant, et la diode 33 dans l'état bloqué. 7 2831734 Pour simplifier la description, les mêmes éléments portent les mêmes références. Dans la présente invention par moyens de transmission d'ondes électromagnétiques, on entend tout moyen capable d'émettre et/ou de recevoir des ondes électromagnétiques, ces moyens étant connus sous le terme " Antenne ". On décrira tout d'abord avec référence aux figures 3, 3A et 3B, un mode de réalisation permettant d'obtenir un systè me d' antennes large bande à polarisation linéaire très pure. Comme représenté sur la figure 3, le système d'antennes comporte des antennes de type fente constituées par o deux fentes annulaires 10,11 disposées de part et d'autre d'une ligne d'alimentation microruban 12 tangente en un point P' aux deux fentes 10 et 11. La longueur de la ligne d'alimentation entre son extrémité opposée au port d'entrée et le point de tangence est de l'ordre de km/4 avec k entier impair et m la longueur d'ondes guidée de la ligne microruban. s Comme dans le cas de la figure 1, le périmètre de chaque fente annulaire 10,11 est sensiblement égal à k'\s avec k' un entier et s la longueur d'ondes guidée dans la fente. Avec cette structure, les polarisations elliptiques de chaque fente 10,11 située de part et d'autre de la ligne microruban 12 étant de sens opposé, elles donnent lieu à une o polarisation linéaire de très haute pureté, notamment dans l'axe de l'antenne. Dans ce cas, pour préserver la fréquence centrale de l'antenne, le périmètre de chaque fente annulaire est légèrement inférieur à k'\s avec s la longueur d'onde guidée dans la fente isolée. Sur la figure 3B, on a représenté les diagrammes de rayonnement du système d'antennes de la figure 3 dans les plans E et H à une fréquence centrale de fonctionnement de 5,7 GHz. Le système étant réalisé sur le même type de substrat que le système de la figure 1, on voit que la polarisation croisée est inférieure à -19,1 dB, notamment dans l'axe de l'antenne. 8 2831734 Sur la figure 3A, on a représenté le coefficient de réflexion S11 du système de la figure 3 en fonction de la fréquence dans le cas d'une mesure et d'une simulation. Le système d'antenne est adapté à -10dB sur ,7 % en simulation et 22 % en mesure. s On décrira ensuite avec référence aux figures 4, 5 et 6, un mode de réalisation de la présente invention permettant d'obtenir une diversité de rayonnement. Ce mode de rayonnement utilise la structure de base décrite ci-dessus. Comme représenté sur la figure 4, la nouvelle topologie du o système de transmission de signaux électromagnétiques est constituée par trois antennes du type fentes annulaires 20,21,22. Ces fentes sont tangentes deux par deux aux points P1 et P2. De manière plus spécifique, les fentes annulaires 20 et 21 sont tangentes au point P1 tandis que les fentes 21 et 22 sont tangentes au point P2. Les points P1 et P2 sont donc s des points de symétrie par lesquels peuvent passer un plan, plus particulièrement un plan de tangence. Comme représenté sur la figure 4, les fentes 20,21,22 sont alimentées par des lignes microruban 23,24 se trouvant respectivement dans les plans de tangence passant par les points P1 et P2. o Comme représenté sur la figure 4, les lignes d'alimentation microruban 23,24 sont réunies par une jonction en T au port 1 de connexion avec un circuit d'alimentation non-représenté. D'autre part, la longueur de ligne 23 ou 24 entre le point P1 ou P2 et l'extrémité 23' ou 24' opposée au port 1 est de préférence de l'ordre de s km/4 o k est un entier et m la longueur d'onde guidée dans la ligne d'alimentation. Comme représenté sur la figure 4, à l'extrémité de chacune des lignes 23,24 est monté un composant électronique permettant de simuler un court-circuit ou un circuit ouvert au bout d'une des lignes et un circuit ouvert 9 2831734 ou un court-circuit au bout de l'autre ligne. De manière plus spécifique, une diode 25 est montée en inverse entre l'extrémité 23' et la masse tandis qu'une diode 26 est montée en direct entre l'extrémité 24' et la masse. Ce montage permet une commutation des diagrammes de rayonnement entre trois états selon l'état de polarisation des diodes 25 et 26. Les différents états de commutation sont représentés dans le tableau 2 ciaprès: Tableau 2 Etat des diodes Tension appliquce Diode 25 Diode 26 -V Off On Off Off + V On Off o Dans la structure de la figure 4, on obtient une courbe donnant un coeffficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence, telle que représentée sur la figure 5. Sur la base de cette courbe, on s'aperçoit que la largeur de bande d'adaptation à -10 dB est de 22 % quand une seule diode est bloquée, et de 17,8 % quand les deux diodes sont bloquées. D'autre part, sur la figure 6, on a représenté les trois états de rayonnement de l'antenne selon les états de deux diodes idénles à 5,4 GHz. On obtient ainsi une diversité de rayonnement d'ordre 3 pour le dispositif d'antenne. Pour obtenir une voie d'émission avec la topologie d'antenne o représentée à la figure 4, on propose, comme représenté sur la figure 7, d'alimenter la fente annulaire médiane, à savoir la fente 21 par une ligne microruban 27 positionnée de manière à réaliser une transition ligne/fente classique telle que décrite par Knorr. Cette ligne se termine par une diode 33 ramenant un court-circuit en bout de ligne 27 en mode réception. 2831734 Pour assurer une isolation maximale entre l'émission et la réception, les deux diodes 25,26 doivent être dans l'état passant, c'està- dire présenter un court-circuit en bout des lignes microruban 23 et 24 dans le mode émission et la diode 33 doit être dans l'état bloqué, c'est à dire s présenter un circuit ouvert CO au bout de la ligne 27 dans le mode émission. Dans ce cas, le système représenté à la figure 7 présente quatre états de fonctionnement, comme mentionné dans le tableau 3 ci- après: Tableau 3 Etat des diodes Diode 25 Diode 26 Diode 33 Etat 1 Off On On Rx Etat 2 Off Off On Etat 3 On Off On Tx Etat 4 On On Off o Le dispositif de commande permettant de gérer ces quatre états est assuré par un dispositif commandant indépendamment chacune des trois diodes. Ce dispositif de commande est par exemple composé de dispositifs de blocage 28',28 montés entre la jonction en T et les lignes d'alimentation 23,24. Les dispositifs de blocage sont constitués par des DC blocks en langue anglaise de type connu. Un DC-block 29 est aussi prévu entre la ligne 27 et le port 2. D'autre part, des bouts de ligne ou " stubs " ,31,32 sont montés entre les lignes respectives 32,24 et 27 et la borne de polarisation des différentes diodes 25,26 et 33. La longueur de chaque bout de ligne radial est tel qu'un circuit ouvert est ramené au point de croisement o tel que, de cette façon, la tension de polarisation est apportée sur chacune des diodes, sans perturber la RF (condition de transparence). Par ailleurs, le dispositif de blocage du courant continu de polarisation (DC-block en langue anglaise), permet de filtrer le courant continu à l'accès antenne. Avec le système représenté à la figure 7, on obtient une courbe donnant l' amplitude des paramètres S du dispositif en fonction de la s fréquence en émission, à savoir lorsque les diodes 25 et 26 sont en court- circuit sur la figure 8. On s'aperçoit que dans ce cas, la largeur de bande en adaptation de la voie émission est de plus de 22 %. D'autre part, en émission, on obtient un diagramme de rayonnement du dispositif comme représenté sur la figure 9. En regardant o les différents diagrammes de rayonnement, on s'aperçoit qu'on obtient une haute qualité de polarisation liné aire dans l'axe de l' antenne. D' autre part, on obtient un bon niveau d' isolation entre l'é mission et la réception et une mé me polarisation à l'é mission et à la réception. Cette structure d'antenne compacte permet de plus une diversité de diagramme de rayonnement s d'ordre 3. Il est évident pour l'homme de l'art que les modes de réalisation cidessus sont donnés à titre d'exemple et peuvent étre modifiés de nombreuses manières. Ainsi, la fente peut avoir une autre forme qu'une forme annulaire, elle peut étre de forme polygonale, à savoir de forme carrée, rectangulaire o ou autre. Les lignes d'alimentation peuvent étre réalisées en technologie microruban ou en technologie coplanaire. Les diodes peuvent étre remplacoes par d'autres composants tels que des transistors, des commutateurs électroniques, des systèmes microélectromécaniques. 12 2831734 REVENDICATIONS 1 - Système d'antennes pour la transmission de signaux électromagnétiques comportant un premier moyen pour la transmission des signaux du type antenne fente (10) et une première ligne d'alimentation (12) pour connecter led it premier moyen à des moyens d' exploitation des signaux, la première ligne d'alimentation étant couplée électromagnétiquement par une transition ligne/fente au premier moyen pour o la transmission des signaux du type antenne-fente, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième moyen pour la transmission des signaux du type antenne-fente (11) symétrique du premier moyen par rapport à un premier point P. le deuxième moyen étant couplé électromagnétiquement par une transition ligne/fente avec ladite première ligne d'alimentation qui se trouve s dans un plan passant par le premier point de symétrie, ladite transition se trouvant proche du plan de court-circuit de la ligne d'alimentation. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un troisiè me moyen pour la transmission d'ondes o électromagnétiques du type antenne fente (22) alimentée par une transition ligne/fente symétrique d'un des deux moyens de transmission d'ondes électromagnétiques par rapport à un deuxième point (P2) et une deuxième ligne d'alimentation (24) connectée en commun avec la première ligne d'alimentation aux moyens d'exploitation des signaux, la deuxième ligne d'alimentation étant couplée électromagnétiquement aux moyens de transmission d'ondes électromagnétiques du type antenne-fente alimentée par une transition ligne/fente et se trouvant dans un plan passant par le deuxième point de symétrie, I'extrémité libre de la première et de la deuxième lignes d'alimentation étant connectée à un composant (25,26) o permettant de simuler un court-circuit ou un circuit ouvert au bout d'une des lignes et un circuit ouvert ou un court-circuit au bout de l'autre ligne. 3 - Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur de la ligne d'alimentation (23',24') entre le composant électronique et le point de symétrie est de l'ordre de km/4 avec k un entier et m la longueur d'onde guidée dans la ligne, de manière à ramener un plan de s court circuit ou de circuit ouvert électrique selon l'état du composant dans le plan contenant les points de symétrie. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de transmission d'ondes o électromagnétiques du type antenne fente (10,11,20,21,22) alimentée par une transition ligne/ fente sont constitués par une fente de forme annulaire ou polygonale. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le s périmètre de la fente a une longueur de l'ordre de k'\s avec k' un entier et s la longueur d'onde guidée dans la fente. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte de plus une troisième ligne d'alimentation o (27) reliée à un moyen d'émission et couplée électromagnétiquement au moyen de transmission d'ondes électromagnétiques central par une transition ligne/fente. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que, en s mode émission, les composants électroniques se trouvant au bout des première et seconde lignes d'alimentation sont alimentés pour simuler un courtcircuit. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, so caractérisé en ce que le composant (25,26,33) est constitué par une diode, un transistor, un commutateur électronique, un système micro- électromécanique. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, s caractérisé en ce que les lignes d'alimentation sont réalisées en