Brevet FR2834836A1 — publié le 20030718

DISPOSITIF POUR LA RECEPTION ET/OU L'EMISSION D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES A DIVERSITE DE RAYONNEMENT La présente invention concerne un dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement utilisable dans le domaine des transmissions sans fil, notamment dans le cas de transmissions dans des milieux clos ou semi-clos tels que les réseaux domestiques sans fils, les gymnases, les studios de télévision, les salles de spectacle ou similaires mais aussi dans les systèmes de communication sans fils demandant +) pour le système d'antenn7 un encombrement minimal tel que la téléphonie mobile. 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 récepteur, les différences de phase entre les différents rayons ayant parcouru des trajets de longueurs différentes, donnent lieu à une figure d'interférence susceptible de provoquer des évanouissements ou une dégradation importante du signal. D'autre part, l'emplacement des évanouissements change au 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 multitrajets peuvent entraîner des dégradations importantes tant au niveau de la qualité du signal reçu qu'au niveau des performances du système. Pour lutter contre les évanouissements, la technique la plus souvent utilisée est une technique dite à diversité spatiale. Cette technique consiste entre autres à utiliser une paire d'antennes à large couverture spatiale telles que deux antennes du type pastille ou patch associées à un commutateur. Les deux antennes sont espacées d'une longueur qui doit être supérieure ou égale à k0/2 où AO est la longueur d'ondes correspondant à la fréquence 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 présentant le niveau du signal le plus élevé en examinant le signal reçu par l'intermédiaire d'un circuit de contrôle. Toutefois, cette solution a pour principal inconvénient d'être relativement volumineuse, car elle nécessite un espacement minimum entre les antennes rayonnantes pour assurer une décorrelation suffisante des réponses du canal vues à travers chaque élément rayonnant. Différentes solutions ont été proposées pour réduire l'encombrement du système d'antenne tout en assurant une diversité suffisante. Certaines solutions ont fait l'objet de plusieurs demandes de brevet déposées au nom de THOMSON multimedia Licensing. Elles consistent notamment à utiliser plusieurs antennes du type fente alimentées par des transitions ligne-fente et munies de moyens permettant d'obtenir une diversité de rayonnement. D'autre part, dans l'Article IEEE, Vol. 49 n 5 de Mai 2001, intitulé diversity antenna for external mounting on wire ! ess handsets ?, i ! a aussi été proposé, dans le domaine de la téléphonie mobile, d'associer une fente Â/4 avec un monopole pour réaliser un système à diversité de rayonnement. Toutefois, le système proposé est une structure en trois dimensions relativement complexe. La présente invention a donc pour but de proposer une nouvelle solution pour un dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement présentant une structure extrêmement compacte tout en donnant des diagrammes de rayonnement présentant une très bonne complémentarité. En conséquence, la présente invention a pour objet un dispositif pour réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comporte sur un substrat commun, au moins une antenne du type fente constituée par une courbe fermée couplée électromagnétiquement à une première ligne d'alimentation et une antenne de type monopole ou hélice fonctionnant en mode transversal, positionnée à l'intérieur de l'antenne de type fente et connectée à une deuxième ligne d'alimentation, lesdites première et deuxième lignes d'alimentation étant connectées par l'intermédiaire d'un moyen de commutation à des moyens d'exploitation des ondes électromagnétiques. Le dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques décrit ci-dessus utilise le fait que les antennes de type e fente constituée par une courbe fermée dite ci-après antennes de type fente ainsi que les antennes du type monopole ou hélice fonctionnant en mode transversal présentent des diagrammes de rayonnement quasiomnidirectionnels avec des minima situés respectivement dans le plan du substrat pour l'antenne de type fente et selon l'axe du monopole ou de l'hélice pour l'autre antenne. Ainsi, la commutation d'un port à l'autre permet de modifier la réponse du canal à travers l'antenne et de bénéficier ainsi d'un gain de diversité. Selon des modes de réalisation préférentiels, la première ligne d'alimentation est réalisée en technologie microruban ou en technologie coplanaire. D'autre part, la première ligne d'alimentation a une longueur entre son extrémité et le point de couplage électromagnétique égale à km/4, où k est un entier impair et lm la longueur d'onde guidée sous la ligne d'alimentation à la fréquence centrale de fonctionnement, avec . m = . 0/sreff où , 0 est la longueur d'onde dans le vide et sreff la permittivité efficace de la ligne. La seconde ligne d'alimentation est réalisée en technologie microruban ou par une ligne coaxiale. Lorsque la ligne est réalisée en technologie microruban, une connexion est formée au niveau de l'antenne du type fente entre la partie extérieure et la partie intérieure de la fente, cette connexion étant constituée, par exemple, par un insert conducteur présentant une largeur égale à environ deux à trois fois la largeur de la ligne réalisée en technologie microruban, de manière à ne pas perturber le fonctionnement de la ligne microruban excitatrice. De plus, afin de minimiser la perturbation dans la fente de l'antenne de type fente, du fait de la présence de la connexion conductrice, cette connexion est réalisée dans un plan de court-circuit électrique pour la fente qui est donc le plan de croisement de la ligne microruban excitatrice de l'antenne de type monopole ou hélice et de l'antenne de type fente. Selon des modes de réalisation préférentiels, l'antenne de type fente est constituée par une fente annulaire de forme circulaire ou constituée par une courbe fermée de périmètre égal à k'À. s où s est la longueur d'onde dans la fente à la fréquence de fonctionnement ou par une fente polygonale telle que carrée ou rectangulaire. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement peut comporter plusieurs antennes de type fente imbriquées l'une dans l'autre de manière à élargir la bande de fonctionnement ou à permettre des applications multibandes. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisation faits avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : Les figures 1 à 4 concernent différents modes de réalisation de l'invention. Les Figures 1,2 et 3 présentent respectivement une vue en perspective, une vue en coupe et une vue de dessus du système d'antenne objet de cette invention. Celui-ci est constitué d'une part d'une fente annulaire excitée selon la méthode décrite par Knorr, d'autre part d'un monopole situé au centre de la fente et excité par une ligne micro-ruban. Comme présenté dans les Figures 4 et 5, la fente annulaire et le monopole présentent des diagrammes de rayonnement quasiomnidirectionels et relativement complémentaires dans la mesure où les minima sont situés respectivement dans le plan du substrat (en l'occurrence selon l'axe ox) pour la fente annulaire et selon l'axe du monopole (en l'occurrence l'axe oz) pour ce dernier. Ainsi la commutation d'un port à l'autre (à l'aide d'un dispositif de commutation bien connu de l'homme de l'art, et non représenté dans les dessins), permet de modifier la réponse du canal à travers l'antenne et bénéficier ainsi d'un gain de diversité. En effet, si par exemple la dominante du signal reçu arrive selon l'axe ox ce qui reviendrait à recevoir un signal faible à travers l'accès relié à la fente, en commutant sur l'accès connecté au monopole, on a toutes les chances de recevoir un signal de niveau significatif compte tenu du fait que la direction ox correspond à un maximum pour le diagramme du monopole. Un raisonnement symétrique peut être fait dans le cas où le signal dominant arrive selon l'axe oz, par exemple dans le cas d'une communication multi- étages. Comme représenté en Figure 3, afin d'assurer une continuité du plan de masse pour la ligne microstrip excitant le monopole, il est réalisé une connexion entre le disque intérieur et la couronne extérieure constituant la fente annulaire. Cette connexion est réalisée à l'aide d'un insert conducteur de largeur w suffisamment large (largeur environ 2 à 3 fois la largeur de la ligne imprimée excitatrice) pour ne pas perturber le fonctionnement de la ligne microstrip excitatrice. Afin de minimiser la perturbation de la fente annulaire par la présence de cet H insert métallique, celui-ci est réalisé dans un plan de court-circuit électrique pour la fente, qui sera donc le plan de croisement de la ligne excitatrice du monopole et de la fente annulaire. Le couplage entre la fente annulaire et le monopole reste réduit compte tenu : i) de la complémentarité des diagrammes de rayonnements (les directions des maxima de l'un se trouvent dans la direction des minima de l'autre) ii) de l'orthogonalité des champs émis par la fente et le monopole. Ainsi, on peut s'attendre à des perturbations mutuelles minimales entre les deux éléments rayonnants bien que occupant quasiment le même espace physique. Afin de s'assurer du bon fonctionnement du système d'antenne, celui-ci a été complètement dimensionné pour un fonctionnement à la fréquence centrale d'environ 5.8 GHz puis simulé à l'aide du logiciel de simulation HFSS de Ansoft. Par référence aux schémas des Figures 6 et 7, le système d'antenne présente les dimensions suivantes : # Rint=6.4mm (rayon intérieur de la fente) # Rext=6. 8mm (rayon extérieur de la fente) # Ws=0.4mm (largeur de la fente, Ws=Rext-Rint) . Wm1=0. 3mm (largeur de la ligne microruban alimentant la fente) * Im1=8. 25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la fente entre le port 1 et la transition ligne/fente) * Im1'=8. 25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la fente entre la transition ligne/fente et l'extrémité de la ligne en circuit ouvert) damm (diamètre de la démétallisation au centre de la fente) # L=13.21mm (longueur du monopole) 11=30mm (diamètre du plan de masse) . Dmonopole=1 mm (diamètre du fil métallique con situant le monopole) 'Wm2=0. 2mm (largeur de la ligne microruban alimentant le monopole) # Im2=8. 4mm (longueur de la ligne microruban alimentant le monopole entre le port 2 et la transition ligne/fente) . Im2'=8. 8mm insert de 1.2mm de long (soit 3% de la longueur de la fente) # une pastille métallique de diamètre 2mm est placée sous le monopole (elle permet de souder plus facilement le monopole à sa ligne d'alimentation) Le substrat utilisé est du Rogers 4003, de permittivité relative Dr=3. 38 et d'épaisseur h=0. 81 mm. La Figure 8 montre les résultats de simulation des coefficients de réflexion à l'entrée des lignes alimentant la fente annulaire (SU) et le monopole (S22) ainsi que le coefficient de couplage (S21) entre les 2 ports. Comme attendu, on peut constater une bonne adaptation des 2 antennes ainsi qu'une isolation entre les deux accès meilleure que 19dB malgré l'extême proximité des deux éléments rayonnants. Les Figures 9 et 10 montrent les diagrammes de rayonnement obtenus à l'accès respectivement monopole et fente annulaire. Malgré une légère déformation du diagramme du monopole, on peut constater que le système d'antenne fonctionne comme souhaité, soit donc avec des diagrammes quasi-omni-directionnels, complémentaires avec des minima selon l'axe oz pour le monopole et l'axe ox pour la fente annulaire. Selon une variante, le monopole est excité par une ligne coaxiale (Figure 11). A noter dans cette variante que l'excitation du monopole se fait du côté du plan de masse du substrat. Des simulations spécifiques de cette variante ont été effectuées à l'aide du logiciel HFSS de Ansoft, sur une réalisation particulière dont le dimensionnement est comme suit : . Rlnt=6Amm (rayon intérieur de la fente) Rext=6. 8mm (rayon extérieur de la fente) # =0. 4mm (largeur de la fente, Ws=Rext-R, nt) 'ami=0. 3mm (largeur de la ligne microruban alimentant la fente) . Im1=8. 25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la fente entre le port 1 et la transition ligne/fente) * Im/=8. 25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la fente entre la transition ligne/fente et l'extrémité de la ligne en circuit ouvert) # D=2mm (diamètre de la démétallisation au centre de la fente) . L=12. 4mm (longueur du monopole) # #=30mm (diamètre du plan de masse) . 0 monopole= 1 mm (diamètre du fil métallique consituant le monopole) Le substrat utilisé est du Rogers 4003, de permittivité relative Or=3. 38 et d'épaisseur h=0.81 mm. Les adaptations aux deux accès ainsi que l'isolation entre les deux ports sont donnés en Figure 12. Les figures 13 et 14 présentent les diagrammes de rayonnement du système d'antenne respectivement aux accès fente et monopole. On peut constater que l'excitation par ligne coaxiale du monopole qui a l'avantage d'éviter le croisement ente la ligne d'excitation du monopole et l'antenne fente, présente une meilleure isolation (isolation supérieure à 22 dB) que dans le cas de l'excitation par ligne micro-ruban et le diagramme du monopole n'est plus distordu. Cet avantage est obtenu aux dépens d'une complexification de la structure d'antenne. ( accès fente et monopole sur des faces opposées du substrat et de type différents : ligne coaxiale et ligne microruban) D'autres modifications peuvent être apportées telles que l'utilisation d'une antenne hélice fonctionnant sur son mode transversal, l'utilisation d'une fente double ou multiple pour élargir la bande ou pour des applications multi-bandes, l'alimentation tangentielle de la fente au lieu d'une alimentation de type Knorr, la déformation de la fente annulaire pour réduire encore plus son encombrement. REVENDICATIONS 1-Dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comporte, sur un substrat commun, au moins une antenne de type fente constituée par une courbe fermée, dite antenne de type fente, couplée électromagnétiquement à une première ligne d'alimentation et une antenne de type monopole ou hélice fonctionnant en mode transversal, positionnée à l'intérieur de l'antenne de type fente et connectée à une deuxième ligne d'alimentation, lesdites première et deuxième lignes d'alimentation étant connectées par l'intermédiaire d'un moyen de commutation à des moyens d'exploitation des ondes électromagnétiques. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première ligne d'alimentation est réalisée en technologie microruban ou en technologie coplanaire. 3-Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première ligne d'alimentation a une longueur entre son extrémité et le point de couplage électromagnétique égale à kXm/4 où k est un entier impair et Àm la longueur d'onde guidée sous la ligne d'alimentation à la fréquence centrale de fonctionnement avec lm = XO/Freff où à est la longueur d'onde dans le vide et sreff la permittivité effective de la ligne. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde ligne d'alimentation est réalisée en technologie microruban ou par une ligne coaxiale. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lorsque la ligne est réalisée en technologie microruban, une connexion est réalisée au niveau de l'antenne de type fente entre la partie extérieure et la partie intérieure ch stjbstttd 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la connexion est constituée par un insert conducteur présentant une largeur égale à 2 à 3 fois la largeur de la ligne réalisée en technologie microruban. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la connexion est positionnée dans un plan de courtcircuit électrique pour la fente. 8-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'antenne de type fente est constituée par une fente annulaire de forme circulaire ou constituée par une courbe fermée de périmètre égal à k's où ? s est la longueur d'onde dans la fente à la fréquence de fonctionnement ou une fente polygonale telle que carrée ou rectangulaire. 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il peut comporter plusieurs antennes de type fente imbriquées l'une dans l'autre. 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'antenne du type monopole ou hélice fonctionnant en mode transversal est positionnée au centre de la ou des antennes de type fente annulaire ou polygonale.