Brevet FR2852150A1 — publié le 20040910

La présente invention concerne le domaine des antennes à diversité de rayonnement. Ce type d'antenne peut être utilisé dans le domaine des transmissions sans fils, notamment dans le cadre de transmissions dans un milieu clos ou semi-clos tel que les milieux 5 domestiques, les gymnases, les studios de télévision, les salles de spectacles ou similaires. Dans le cadre de transmissions à l'intérieur de milieux clos ou semi-clos, les ondes électromagnétiques subissent des phénomènes d'évanouissement liés aux trajets multiples résultant des nombreuses 10 réflexions du signal sur les murs et sur les meubles ou autres surfaces prévues dans le milieu. Pour lutter contre ces phénomènes d'évanouissement, une technique bien connue est l'utilisation de la diversité spatiale. De manière connue, cette technique consiste à utiliser par 15 exemple une paire d'antennes à large couverture spatiale telle que deux antennes de type fente ou de type " patch " qui sont reliées par des lignes d'alimentation à un commutateur, le choix de l'antenne se faisant en fonction du niveau du signal reçu. L'utilisation de ce type de diversité nécessite un espacement minimum entre les éléments rayonnants pour assurer une 20 décorrélation suffisante de la réponse canal vue à travers chaque élément rayonnant. De ce fait, cette solution présente comme inconvénient d'être, entre autre, encombrante. Pour remédier à ce problème d'encombrement, l'on a proposé d'utiliser des antennes présentant une diversité de rayonnement. Cette 25 diversité de rayonnement est obtenue par commutation entre des éléments rayonnants placés à proximité les uns des autres. Cette solution permet de réduire l'encombrement de l'antenne tout en assurant une diversité suffisante. La présente invention concerne donc un nouveau type d'antennes 30 à diversité de rayonnement. Selon l'invention, l'antenne à diversité de rayonnement constituée par des éléments rayonnants du type ligne-fente couplée électro- magnétiquement à une ligne d'alimentation est caractérisée en ce que les éléments rayonnants présentent une structure en arborescence, chaque élément rayonnant ayant une longueur égale à kXs/2, o k est un entier identique ou différent d'un élément à l'autre et As la longueur d'onde guidée 5 dans la fente constituant l'élément rayonnant et en ce qu'au moins un des éléments rayonnants comporte un moyen de commutation positionné dans la fente constituant ledit élément rayonnant de manière à contrôler le couplage entre ledit élément rayonnant et la ligne d'alimentation en fonction d'une commande. L'antenne décrite ci-dessus peut fonctionner sur différents modes présentant des diagrammes de rayonnement complémentaires en fonction de l'état des moyens de commutation. Avec cette structure en arborescence, un grand nombre de modes de fonctionnement est accessible. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, chaque 15 élément rayonnant comporte un moyen de commutation. D'autre part, le moyen de commutation est positionné dans une zone de circuit ouvert de la fente, ce moyen de commutation pouvant être constitué par une diode, un transistor monté en diode ou un MEMS (Micro Electro Mechanical System). Selon une caractéristique supplémentaire de la présente 20 invention, la longueur de chaque élément rayonnant est délimitée par un insert positionné dans un plan de court-circuit, l'insert étant placé au niveau des jonctions entre éléments rayonnants. D'autre part, la structure en arborescence peut présenter une forme en H, une forme en Y ou une forme constituée par une association de 25 ces deux formes. Selon encore une caractéristique de la présente invention, l'antenne est réalisée en technologie microruban ou en technologie coplanaire. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 30 apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ciannexés dans lesquels: La figure 1 représente une vue schématique d'une antenne à diversité de rayonnement présentant une structure en arborescence. La figure 2 est une vue de dessus schématique de la structure représentée à la figure 1 munie de moyens de commutation, conformément à la présente invention. Les figures 3a et 3b représentent respectivement un diagramme de rayonnement en 3D et en 2D de la structure d'antenne selon la figure 1. Les figures 4a, 4b et 4c représentent respectivement l'antenne de la figure 2 lorsqu'une diode est active, respectivement, selon un modèle 10 théorique figure 4a, le modèle simulé figure 4b et le diagramme de rayonnement en 3D figure 4c. Les figures 5a, 5b et 5c sont identiques aux figures 4a, 4b et 4c respectivement lorsque les diodes 2 et 4 sont actives, puis lorsque les diodes 2 et 3 sont actives et lorsque les diodes 3 et 4 sont actives. La figure 6 est une vue schématique du modèle théorique de l'antenne de la figure 1 lorsque trois diodes sont actives. La figure 7 représente le TOS ou taux d'ondes stationnaires en fonction de la fréquence selon le nombre de diodes actives La figure 8 représente le schéma de principe du positionnement d'une diode dans une 20 ligne- fente. La figure 9 est une vue en plan de dessus schématique d'une antenne à diversité de rayonnement réalisée en coplanaire. La figure 10 est une vue de dessus schématique d'une antenne conforme à la présente invention selon un autre mode de réalisation. La figure 11 est une vue en trois dimensions du diagramme de rayonnement de l'antenne de la figure 10, et Les figures 12 et 12a sont respectivement une vue de dessus schématique d'un autre mode de réalisation d'une antenne à diversité de rayonnement selon la présente invention et de son diagramme de 30 rayonnement en trois dimensions. On décrira tout d'abord avec référence aux figures 1 à 7, un mode de réalisation préférentiel de la présente invention. Dans ce cas, comme représenté sur la figure 1, l'antenne à diversité de rayonnement est constituée principalement par des éléments rayonnants du type ligne-fente selon une structure en H. Cette structure est réalisée de manière connue en technologie microruban sur un substrat 1 dont les faces ont été métallisées. 5 De manière plus spécifique, cette structure comporte cinq éléments rayonnants 1,2,3,4,5 constitués chacun par une ligne-fente gravée sur la face supérieure du substrat 10 et disposés selon un H. D'autre part, comme représenté sur la figure 1, les lignes-fentes sont alimentées par couplage électromagnétique selon la théorie décrite par 10 Knorr, par une ligne d'alimentation 6 réalisée sur la face inférieure du substrat 10. De ce fait, et comme représenté sur la figure 2, la ligne d'alimentation 6 est perpendiculaire à la fente 5 et se prolonge sur une distance Lm de l'ordre de kXm/4 o Xm est la longueur d'onde guidée dans la ligne d'alimentation et Xm = XO/V8reff (avec X0 la longueur d'onde dans le 15 vide et Ereff la permittivité relative de la ligne), k étant un entier impair. La ligne d'alimentation se prolonge au-delà d'une distance Lm par une ligne 6' de longueur L et de largeur W supérieure à la largeur de la ligne 6 permettant une connexion sur 50 OhmLes cinq éléments rayonnants 1,2,3,4,5 sont constitués par des lignes-fentes de longueur Ls dans laquelle Ls = kXs/2 20 avec As = X0/VNrl eff, er1 eff étant la permittivité relative de la fente et k étant un entier qui peut être le même pour chaque élément ou différent selon l'arborescence souhaitée. Pour obtenir une antenne à structure en H comme représenté sur les figures 1 et 2 permettant d'obtenir de la diversité de rayonnement, des 25 moyens de commutation sont positionnés dans la ligne-fente constituant l'élément rayonnant de manière à contrôler le couplage électromagnétique entre ledit élément rayonnant et la ligne d'alimentation. De manière plus spécifique, des diodes dl, d2, d3 d4, sont positionnées dans chaque lignefente 1,2,3,4 dans un plan de circuit ouvert de la ligne-fente. Comme les 30 lignes-fentes présentent une longueur Ls = kXs/2, plus particulièrement Xs/2, les diodes sont placées au milieu de chaque ligne- fente 1,2,3,4. Dans le mode de réalisation représenté, une diode est placée dans chacune des fentes. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art qu'on obtiendrait déjà une antenne à diversité de rayonnement avec une seule diode placée dans une des fentes. D'autre part, selon une autre caractéristique de l'invention, des 5 inserts métalliques sont placés dans des zones de court-circuit des éléments rayonnants de type ligne-fente, à savoir au niveau des jonctions des bras, comme représenté sur la figure 2. Les inserts se trouvant dans une zone de court-circuit ne modifient donc pas le fonctionnement de la structure lorsque aucune des diodes dl,d2,d3 ou d4 est active mais ils imposent une 10 répartition de courant nul dans la ligne-fente lorsque la diode correspondante est active. D'autre part, comme cela sera expliqué de manière plus détaillée ci-après, lorsque l'une des diodes dl,d2,d3 ou d4 est active, elle impose une condition de court-circuit dans la zone de circuit ouvert de l'élément 15 rayonnant de type ligne-fente correspondant, ce qui empêche le rayonnement d'un champ électromagnétique dans cet élément. On expliquera maintenant de manière plus détaillée, avec référence aux figures 1 à 7, le fonctionnement de la structure représentée à la figure 2 en fonction de l'état des diodes dl,d2,d3,d4. 1) Aucune des diodes dl,d2,d3,d4 n'est active: Lorsque la structure en H est alimentée, on obtient un diagramme de rayonnement tel que représenté sur la figure 3a pour une représentation en 3D ou sur la figure 3b pour une représentation en 2D. Dans ce cas, d'après la représentation en 3D de la figure 3a, on obtient un diagramme de 25 rayonnement quasiomnidirectionnel avec, en particulier, deux plans omnidirectionnels l'un à + = 450 et l'autre à 4 = 1350. Ceci est confirmé par le diagramme 2D de la figure 3b représentant une coupe dans les plans 4 = 460 et + = 1340. D'autre part, la courbe de la figure 3b montre une oscillation maximale du gain à 3db pour les plans de coupe. 2) Une seule des diodes est active, parmi les quatre diodes dl, d2, d3, d4. On peut donc définir quatre modes de fonctionnement. Dans ce cas, pour chacun de ces modes, le diagramme de rayonnement possédera un plan de coupe quasi-omnidirectionnel. Si, comme représenté sur les figures 4a et 4b, la diode dl positionnée dans la ligne-fente 1 est active, le plan ó = 135 est un plan de coupe quasi-omnidirectionnel, comme représenté sur le diagramme de rayonnement en 3D de ia figure 4c. On donnera, dans le tableau 1 ci-après, la direction du plan de coupe quasi-omnidirectionnel dans le cas o chacune des diodes dl, d2, d3 ou d4, est active à tour de rôle ainsi que la variation du gain dans ce plan. Tableau 1 Diode active Plan Variation du gain dans le plan 1 135 6dB 2 45 7dB 3 315 6dB 4 225 6dB 3) Deux diodes sont actives: On décrira maintenant avec référence aux figures 5a, 5b et 5c, le cas o les diodes sont actives deux par deux dans la structure de la figure 2. Dans ce cas on peut définir des modes de fonctionnement présentant une structure en U, en Z, en T ainsi que leurs modes duals. Les structures ont été simulées de la manière représentée sur 15 les figures 5b et les diagrammes de rayonnement obtenus ont montré que chacun des modes présentait un plan pour lequel le diagramme de rayonnement est quasi-omnidirectionnel. Ainsi, lorsque les diodes d2 et d4 sont actives, on obtient, comme représenté sur la figure 5al, une structure en U avec un diagramme de rayonnement quasiomnidirectionnel pour un 20 plan de coupe à 90 (figure 5cl). Lorsque les diodes d2 et d3 sont actives, on obtient une structure en Z, comme représenté sur la figure 5a. Dans ce cas, le diagramme de rayonnement quasi-omnidirectionnel est obtenu pour un plan tel que ó = 67.5 (figure 5c2). Lorsqu'il s'agit de la fente en Z duale obtenue lorsque les diodes dl et d4 sont actives, le plan quasi25 omnidirectionnel est obtenu pour.4 = 112.5 . Lorsque les diodes d3 et d4 sont actives, on obtient une structure en T, comme représenté sur la figure 5a3. Dans ce cas, le diagramme de rayonnement quasi-omnidirectionnel est obtenu pour un plan de coupe tel que = 0 (figure 5c3). L'ensemble des résultats est donné dans le tableau 2. Tableau 2 Diodes Mode Plan(s) Variation actives de fonctionnement du gain dans le(s) plan(s) 2 et 4 fente 90 6dB (resp. 1 et 3) en U (resp. dual) 2 et3 fente 67.5 6dB en Z 1 et4 fente 112.5 6dB en Z dual 3 et 4 fente 0 6dB (resp. 1 et 2) en T (resp. dual) 4) La figure 6 représente schématiquement le cas o trois diodes sont actives. Dans ce cas, on peut définir quatre modes de fonctionnement. Pour chacun de ces modes, le diagramme de rayonnement possède un plan 10 de coupe quasi-omnidirectionnel. La relation entre les diodes actives et le plan quasi-omnidirectionnel est donnée dans le tableau 3, ci-après. Tableau 3 Diodes Plan Variation du gain actives dans le plan 2, 3 et 4 60 7dB 1, 3 et 4 84 7dB 1,2 et 4 120 6dB 1, 2 et 3 94 6dB D'après la figure 7 qui donne le TOS en fonction de la fréquence, on observe une bonne adaptation sur une bande de fréquence importante pour les différents modes, en fonction du nombre de diodes actives. A titre indicatif, les résultats donnés ci-dessus, notamment les 5 diagrammes, sont les résultats de simulations électromagnétiques réalisées à l'aide du logiciel Ansoft HFSS sur une antenne présentant une structure en H, telle que représentée à la figure 2, la structure ayant les dimensions suivantes: Fentes 1, 2, 3, 4, 5: Ls = 20,4 mm, Ws = 0, 4 mm et i = 0,6 mm (i 10 représentant la largeur d'un insert métallique en travers de la fente simulant une diode active). Ligne d'alimentation 6: Lm = 8,25 mm Wm = 0,3 mm, L = 21,75 mm, W = 1,85 mm. Substrat 10: L = 60 mm, W = 40 mm. Le substrat utilisé est du 15 Rogers R04003 présentant des caractéristiques suivantes: er = 3,38, tangente A = 0.0022, hauteur H = 0.81 mm. D'autre part, sur la figure 8, on a représenté schématiquement le principe du montage d'une diode dans la ligne-fente, conformément à la présente invention. Dans ce cas, la diode utilisée est une diode HP489B 20 dans un boîtier SOT 323. Elle est placée en travers de la ligne-fente F de manière à ce que l'une des ses extrémités à savoir l'anode soit connectée au plan de masse P2 réalisé par la métallisation du substrat et l'autre extrémité, à savoir la cathode soit connectée à travers un trou V à une ligne de commande L réalisée sur la face inférieure du substrat, comme symbolisé 25 par les pointillés, le trou V étant réalisé dans un élément détaché du plan de masse PI. La ligne de commande L est reliée à un circuit de contrôle nonreprésenté permettant de rendre la diode passante ou non. Cette technique est connue de l'homme de l'art et a été décrite, par exemple, dans l'article " A planar VHF Reconfigurable slot antenna " D. Peroulis, K. Sarabandi & 30 LPB. Katechi, IEEE Antennas and Propagation Symposium Digest 2001, Vol. 1 PP 154-157. L'antenne à diversité de rayonnement décrite ci-dessus présente une grande diversité de diagrammes de rayonnement qui permet, en particulier, son utilisation dans les systèmes correspondants à la norme HIPERLAN2. Cette antenne présente l'avantage d'être facile à réaliser en 5 utilisant une structure imprimée sur un substrat multicouches. D'autre part, le système de commutation est facile à mettre en oeuvre. Il peut être constitué d'une diode, comme représenté dans le mode de réalisation ci- dessus mais aussi par tout autre système de commutation tel que des transistors montés en diode ou des MEMS pour " Micro Electro Mechanical Systems ". Sur la figure 9, on a représenté une structure similaire à celle des figures 1 et 2 mais réalisée en technologie coplanaire. Dans ce cas, la ligne d'alimentation est réalisée sur la même face du substrat que la masse, comme symbolisé par l'élément 7 entouré des gravures 7a, 7b qui coupent la ligne-fente 5 perpendiculairement en son milieu. Les autres éléments de 15 l'antenne à diversité de rayonnement, à savoir les éléments rayonnants 1, 2, 3, 4 réalisés par gravure du plan de masse A, de manière à former les lignesfentes sont identiques à ceux de la figure 2. Les diverses dimensions restent identiques à celles d'une structure réalisée en technologie microruban. La structure représentée à la figure 9 est particulièrement 20 intéressante pour les circuits nécessitant un report de composants. On décrira maintenant avec références aux figures 10 et 11, un autre mode de réalisation de la présente invention. Sur la figure 10, un des éléments rayonnants ou ligne-fente 1' de l'antenne à diversité de rayonnement présentant une structure en H a une longueur Xs tandis que les 25 autres éléments rayonnants 2, 3, 4, 5 ont des longueurs Xs/2. Dans ce mode de réalisation, un insert i est prévu dans la ligne-fente 1 à une longueur Xs/2 et deux diodes dl, d'1 sont prévues respectivement à des distances Xs/4 et 3Xs/4 du début de la ligne-fente. Le fonctionnement de la ligne-fente 1 est interdit lorsque la diode dl est active. Dans ce cas, lorsque la diode d'1 seule 30 est active, seule la seconde partie de la ligne-fente 1 ne fonctionne pas. On retombe alors sur le fonctionnement d'une structure en H avec des lignesfentes de longueur Xs/2. De ce fait, la présente invention peut être réalisée avec des structures présentant des éléments rayonnants de type ligne-fente ayant des longueurs qui peuvent être identiques ou différentes pour chaque élément rayonnant si elles sont un multiple de Xs/2. Sur la figure 11, on a représenté un diagramme de rayonnement en 3D obtenu par simulation à l'aide du logiciel Ansoft HFSS pour une antenne présentant une structure du type de celle représentée à la figure 10 mais dans laquelle l'ensemble des bras 1,2,3,4 ont une longueur As, les diodes étant dans ce cas passives. D'autre part, l'utilisation de lignes-fentes ayant des longueurs différentes permet d'obtenir en plus de la diversité de rayonnement, une diversité fréquentielle. En effet, la longueur d'une ligne-fente conditionne sa fréquence de résonance. Une ligne-fente est dimensionnée de telle sorte que sa longueur L est telle que L = Xs/2 o As est la longueur d'onde guidée dans 15 la fente. D'autre part, la fréquence de résonance f étant liée à la longueur d'onde guidée, f A, si l'on modifie la dimension L, on modifie aussi la fréquence. On décrira maintenant avec référence à la figure 12, encore un autre type de structure qui peut être utilisé pour obtenir une antenne à 20 diversité de rayonnement, conformément à la présente invention. Dans ce cas, le bras 1 se prolonge par deux éléments rayonnants la, 1 b de manière à avoir une structure sensiblement en Y. Dans le mode de réalisation de la figure 12, les deux éléments rayonnants la et lb sont perpendiculaires, ce qui donne le diagramme de rayonnement de la figure 25 12a. Toutefois, l'angle entre les éléments la et lb pourrait avoir d'autres valeurs tout en donnant le résultat recherché. Dans la figure 12, une lignefente lb et une ligne-fente la ont été rajoutées sur la lignefente 1 pour accroître l'arborescence. Ces deux nouvelles ligne- fentes sont couplées à la ligne- fente 1 de la même manière que les ligne-fentes 2 et 3 sont couplées à 30 la ligne- fente 4. Par analogie avec ce qui a été vu avant, on couple de la ligne-fente 1 vers les ligne- fentes la et/ou lb en fonction de l'état des éléments de commutation placés dans ces ligne-fentes la et lb. On peut également envisager ce type d'arborescence sur les ligne-fentes 2, 3 et 4, ainsi que sur les ligne-fentes rajoutées, pour arriver à une structure arborescente complexe. Ainsi, on augmente le nombre de configurations 5 accessibles, et par conséquent l'ordre de diversité que peut fournir la structure. Pour une structure avec Nligne-fentes (chacune de ces lignefentes étant munies d'un moyen de commutation), l'ordre de diversité est 2Nw REVENDICATIONS 1 - Antenne à diversité de rayonnement constituée par des 5 éléments rayonnants du type ligne-fente couplés électromagnétiquement à une ligne d'alimentation, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (1,2,3,4,5, 1a,lb) présentent une structure en arborescence, chaque élément rayonnant ayant une longueur égale à kXs/2 o k est un entier identique ou différent d'un élément à l'autre et As la longueur d'onde guidée dans la ligne10 fente constituant l'élément rayonnant et en ce qu'au moins un élément rayonnant comporte un moyen de commutation (dl,d2,d3,d4,d'1) positionné dans la ligne-fente constituant ledit élément rayonnant de manière à contrôler le couplage entre ledit élément rayonnant et la ligne d'alimentation (6) en fonction d'une commande. 2 - Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque élément rayonnant comporte un moyen de commutation. 3 - Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en 20 ce que le moyen de commutation est positionné dans une zone de circuit ouvert de la fente. 4 - Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le moyen de commutation est constitué par une diode, un transistor 25 monté en diode ou un MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). - Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la longueur de chaque élément rayonnant est délimitée par un insert positionné dans un plan de court-circuit. 30 6 - Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'insert est placé au niveau des jonctions entre éléments rayonnants. 7 - Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la structure en arborescence a une forme en H, en Y ou selon une association de ces formes. 8 - Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'antenne est réalisée en technologie microruban ou en technologie coplanaire. 9 - Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la longueur des ligne-fentes est choisie pour réaliser de la diversité fréquentielle.