Brevet FR2861897A1 — publié le 20050506

La présente invention concerne un système d'antenne haute fréquence multi- faisceaux. Plus précisément, l'invention concerne une antenne millimétrique à fort gain dont les éléments rayonnants (ou sources primaires) multiples éclairent un dispositif de focalisation pour rayonner à 360 en azimut. L'invention est destinée plus particulièrement à un réseau de communication haut débit sans fil utilisant le système "LMDS" ("Local Multipoint Distribution Service" - Service de Distribution Multipoint Local) qui repose sur une architecture cellulaire. Dans cette architecture, une station émettrice l réceptrice équipée d'antennes pour pouvoir communiquer avec les autres stations de la cellule, peut jouer le rôle de noeud de la cellule. On parle alors d'architecture "P-MP" (PointMultiPoint). Une autre architecture possible pour ce système est l'architecture dite "MP-MP" (MultiPoint-MultiPoint), dans laquelle chaque station peut être un relais dans une communication entre deux autres stations du réseau sans fil. L'utilisation des fréquences millimétriques (30 à 3000GHz) ou EHF (Extra Hautes Fréquences) s'inscrit dans une optique d'augmentation des débits de transmission de l'information dans les réseaux sans fil. A de telles fréquences, les bandes disponibles sont larges (supérieures à 1GHz) mais l'atténuation en fonction de la distance est importante. Le taux de couverture est donc limité par la courte portée des stations d'émission aux fréquences millimétriques constituant un tel réseau sans fil, ainsi que par la nécessité d'avoir une "LOS" ("Line Of Sight" - Ligne De Vue Directe) entre une station émettrice et une station réceptrice du réseau. Malgré le faible coût de revient et les performances des systèmes LMDS aux fréquences millimétriques, leurs limitations en couverture ne permettent pas leur déploiement intensif. Dans une architecture MP-MP ou encore architecture maillée (Mesh Network) où chaque station du réseau peut être une station relais, les obstacles peuvent être contournés. On améliore ainsi la couverture et la capacité du réseau sans fil haut débit. L'atténuation en fonction de la distance limitant la portée d'émission entre deux stations du réseau sans fil haut débit est compensée par un gain élevé d'antenne. L'augmentation du gain d'une antenne passe par une amélioration de sa directivité et donc une concentration de son diagramme de rayonnement dans une direction précise. Par conséquent, l'alignement de l'antenne doit être lui aussi précis. En outre, le changement de configuration du réseau doit impliquer un réalignement fiable du système d'antenne des stations du réseau avec une 5 couverture à 360 en azimut pour chaque station. Une solution proposée par l'entreprise Radiant Networks est un système d'antenne constitué de quatre antennes millimétriques à gain élevé. Le système utilise une technique d'accès connue sous le nom de "TDMA/TDD" ("Time Division Multiple Access, Time Division Duplex" - Accès Multiple par Division du Temps, Division du Temps en Duplex). Dans cette technique, le temps est divisé en trames de durée fixe, elles-mêmes subdivisées en "slot" (tranche). Les slots sont utilisés individuellement pour l'émission 1 réception entre deux antennes alignées pour une communication entre leurs stations respectives. L'alignement des antennes est réalisé mécaniquement par l'intermédiaire d'un moteur. Cette solution est complexe, coûteuse, et encombrante. De plus, l'alignement mécanique est ni fiable ni instantané. Une autre solution est présentée dans la demande de brevet GB2238174A. Ce document décrit une antenne haute fréquence constituée d'un ensemble de lentilles diélectriques adjacentes les unes aux autres et agencées de manière à obtenir une couverture à 360 en azimut. La surface arrière de chaque lentille est elle-même constituée de plusieurs éléments rayonnants pour l'émission et la réception. Ces éléments sont précisément disposés de façon à émettre ou recevoir des faisceaux selon des directions angulaires différentes espacés régulièrement et dont la périodicité est préservée d'une lentille à l'autre. Les lentilles sont délimitées de chaque coté par une surface plane dont la direction passe par l'axe central de symétrie du système optique. Ce système d'antenne est compliqué à mettre en oeuvre. Dans ce système, plusieurs éléments rayonnants sont utilisés pour une même lentille. II en résulte, nécessairement que certains de ces éléments rayonnants sont défocalisés. Le système d'antenne ne présente pas le même diagramme de rayonnement, et en particulier la même directivité, dans toutes les directions correspondant aux sources. L'invention propose un système d'antenne millimétrique plus simple, qui répond aux besoins d'un réseau utilisant une architecture maillée et qui remédie aux inconvénients indiqués ci-dessus. En particulier, l'invention propose un système d'antenne millimétrique ayant une couverture à 360 en azimut et un gain important et qui présente un faible coût de revient. A cet effet, l'invention concerne un système d'antenne haute fréquence tel que défini plus haut, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de focalisation ayant un profil de révolution engendré par la section droite d'une lentille diélectrique tournant autour d'un axe situé dans son plan. La lentille diélectrique peut être de révolution, par exemple à section droite en forme de croissant ou à section droite circulaire, mono-focale, bifocale, multi-focale, à focalisation parfaite ou imparfaite, etc.... Un système d'antenne selon l'invention peut présenter les particularités suivantes: É il est muni d'éléments rayonnants sous la forme d'antennes imprimées directives à rayonnement longitudinal. É les éléments rayonnants sont imprimés sur un substrat commun É chaque élément rayonnant est une antenne à fente imprimée du type "Vivaldi" ce qui permet de régler avec une grande flexibilité de conception l'éclairement du système d'antenne en ajustant la longueur et la largeur à l'extrémité de la fente constituant l'élément rayonnant de type Vivaldi . É il est muni de circuits d'émission et I ou de réception et / ou de commutation disposés sur ledit substrat commun. É le dispositif de focalisation a un profil de révolution annulaire, le substrat a une forme de disque et les éléments rayonnants sont 25 disposés le long de la périphérie du substrat de façon à avoir une couverture à 360 en azimut. É les éléments rayonnants sont disposés autour des circuits d'émission et I ou de réception et I ou de commutation ce qui contribue à réduire l'encombrement du système d'antenne. É Le dispositif de focalisation est réalisé en mousse synthétique. L'invention s'étend à une station émettrice et/ou réceptrice avec un système d'antenne tel que défini ci-dessus ainsi qu'à un réseau de communication avec des stations émettrices I réceptrices munies d'un système d'antenne selon l'invention. L'invention est maintenant décrite plus en détail et illustrée par les dessins. La figure 1 montre de façon très schématique un premier exemple d'un système d'antenne selon l'invention. La figure 2 montre de façon très schématique un deuxième exemple d'un système d'antenne selon l'invention. La figure 3 montre de façon très schématique la disposition des éléments rayonnants et des circuits de commutation et d'émission I réception sur un substrat commun. La figure 4 illustre le diagramme de rayonnement du dispositif de focalisation d'un système d'antenne selon l'invention. De manière générale, un dispositif de focalisation pour un système d'antenne millimétrique selon l'invention se présente sous la forme d'une sorte de bouée à profil de révolution annulaire et de section radiale constante. Sur la figure 1, on a représenté un premier exemple de réalisation d'un dispositif de focalisation ayant un profil de révolution engendré par la section droite en forme de croissant d'une lentille diélectrique 2 tournant autour d'un axe 1 situé dans son plan. Dans cet exemple, la zone de focalisation constituée par l'ensemble des points focaux est circonscrite sur un cercle 3. La focalisation est donc parfaite. La figure 2 montre un autre exemple d'un dispositif de focalisation selon l'invention. Ce dispositif de focalisation a un profil de révolution engendré par la section droite de forme circulaire d'une lentille diélectrique 5 tournant autour d'un axe 4 situé dans son plan. Dans cet exemple, la zone de focalisation constituée par l'ensemble des points focaux est circonscrite dans un anneau 6. La focalisation est donc imparfaite. Bien entendu, l'invention s'étend à un dispositif de focalisation de profil de révolution différent qui peut être obtenu à partir d'une section droite d'une lentille, autre que circulaire ou en forme de "croissant". La figure 3 illustre de façon très schématique un substrat 10 de circuit imprimé sur lequel sont imprimés des éléments rayonnants de type antenne Vivaldi 11 et des circuits de commutation et d'émission I réception 13. Ce substrat en forme de disque est placé au centre et dans le plan de symétrie horizontal d'un dispositif de focalisation tel que par exemple, celui illustré sur les figures 1 ou 2. Comme visible sur la figure 3, les antennes Vivaldi 11 sont réparties circulairement le long de la périphérie du substrat ce qui permet une couverture à 360 en azimut. Le centre de phase de chaque antenne Vivaldi doit coïncider avec un point focal de la zone de focalisation 3 ou 6. De plus, les antennes Vivaldi sont des antennes à fente directives à rayonnement longitudinal. Dans le cas de l'invention, la direction principale de leur rayonnement correspond au plan du substrat 10. Ce type d'antenne permet un contrôle relativement aisé de dispositif de focalisation (en l'occurrence, la bouée), par un ajustement de la longueur, du profil et de largeur à I Comme indiqué plus haut, la référence 13 désigne des circuits d'émission / réception et un dispositif de commutation, ce dernier sélectionnant l'élément rayonnant correspondant à la direction azimutale donnée. Comme visible sur la figure 3, les antennes 11 sont disposées autour des circuits 13 qui sont donc concentrés au centre du substrat 10. Au centre du substrat, il est également possible d'imprimer des circuits de traitement de signal. La réunion de tous ces éléments 11, et 13 sur un même substrat commun simplifie et rend le système d'antenne moins encombrant. La figure 4 illustre le diagramme de rayonnement d'un système d'antenne selon l'invention dans le plan vertical 20 et dans le plan horizontal 21. Le diagramme de rayonnement est obtenu en éclairant une portion du dispositif de focalisation en forme de bouée par un élément rayonnant 11. On voit que dans le plan vertical 20, la directivité du diagramme de rayonnement 22 obtenu est la même que celle obtenue à partir d'une lentille de révolution. Sur la figure 4, ee désigne l'angle d'ouverture de l'antenne en élévation à -3dB. Par contre, dans le plan horizontal 21, la directivité du diagramme de rayonnement 23 obtenu est inférieure à celle obtenue à partir d'une lentille de révolution dans le cas d'un éclairement identique en azimut par un élément rayonnant. On sait que dans le cas d'une lentille de révolution, l'éclairement par un élément rayonnant ayant un diagramme de révolution permet d'obtenir une ouverture rayonnante équivalente quasi-uniforme en phase et en amplitude. Dans le cas du système d'antenne selon l'invention, le dispositif de focalisation introduit de part sa forme tubulaire des distorsions de phase et d'amplitude entraînant une perte de directivité. Sur la figure 4, 0a désigne l'angle d'ouverture en azimut à -3dB. L'utilisation d'antenne fente de type Vivaldi selon l'invention permet un contrôle de la longueur, du profil et de l'ouverture de la fente à I ' embouchure 11. Une largeur d'ouverture plus faible implique un éclairement d'une portion plus grande en azimut du dispositif de focalisation (angle ThetaV plus grand). Le gain et donc la directivité de l'antenne en azimut sont augmentés, puisque la surface éclairée est plus grande. Cependant, un éclairement d'une portion plus large en azimut du dispositif de focalisation entraîne également des distorsions de phase plus importantes. On obtient une directivité maximale en azimut par optimisation en réglant le rayon 24 du dispositif de focalisation et la directivité de l'antenne Vivaldi dans le plan horizontal. La configuration du système d'antenne selon l'invention est réalisée de la manière suivante: É la distance focale 25 (F) est déterminée par la forme de la section 15 droite du dispositif de focalisation, la permittivité du matériau supposé homogène, et la hauteur 26 (D) de la section radiale du dispositif de focalisation suivant l'axe de rotation tel que 1 ou 4. É le rayon 24 du dispositif de focalisation doit être supérieur à la distance focale 25. Il peut être augmenté pour avoir un espace disponible plus grand au centre du dispositif de focalisation afin que le substrat 10 puisse contenir non seulement les antennes Vivaldi mais aussi le système d'excitation incluant les circuits d'émission I réception et le dispositif de commutation 13. É Les paramètres de l'élément rayonnant: 6v angle d'ouverture verticale 25 à -3dB et eh angle d'ouverture horizontale à -3dB. Une estimation du gain G de l'antenne est donnée par la relation: G (en dB) = 10 log (KI ee 6a) (1) où K est une constante de valeur comprise approximativement entre 26000 et 35000 selon le rendement 30 d'illumination de l'antenne. Le gain d'antenne doit être suffisant afin de compenser l'atténuation en fonction de la distance et être ainsi compatible avec les exigences d'un réseau sans fil haut débit. Une valeur approximative de l'angle d'ouverture en élévation à -3dB est donnée par la relation suivante: Ge = kÀ / D (2) où À désigne la longueur d'onde de la fréquence de travail D désigne la hauteur de la section radiale du dispositif de focalisation 5 k est une constante variant typiquement entre 60 et 80 selon le rendement d'illumination de l'antenne Dans une première approximation on peut prendre 8a égale à 6h. Il est toujours possible d'augmenter la valeur du gain de l'antenne en augmentant la hauteur 26 (D). Le nombre N d'éléments rayonnants nécessaires pour avoir une couverture azimutale à 360 et pour une valeur de gain supérieure à Gmin = G - 3dB est donné par la relation suivante: N = 360 / 6a (3) Un système d'antenne selon l'invention a été réalisé et le dispositif de focalisation présente les caractéristiques suivantes: É Lentille homogène, É Profil intérieur circulaire, profil extérieur elliptique, É la mousse synthétique utilisée pour le dispositif de focalisation est par 20 exemple du polystyrène pré-chargé en matériau diélectrique, Le matériau présente une permittivité Er L'élément rayonnant 11 a un angle d'ouverture de 28 à -3dB à l'horizontal (6h) et à la verticale (6v). Si dans une première approximation, on suppose 6a égal à 6h, le nombre N d'éléments rayonnants nécessaires afin d'avoir une couverture azimutale à 360 qui est donné par la relation (3) est égal à N = 360 / 28 = 13. Avec cette construction du système d'antenne, on obtient un gain d'antenne qui est: 1. G = 23.6dB pour K = 26000 2. G = 24.9dB pour K = 35000 en tenant compte des 3 dB de pertes en bordure du faisceau, le gain minimal pour le système d'antenne est compris entre 20.6 et 21.9dB. Dans l'exemple décrit ci-dessus d'un système d'antenne selon l'invention, il a été calculé un dimensionnement d'antenne fente Vivaldi assurant pour le système d'antenne, un gain minimal compris entre 20.6 et 21.9dB, où la longueur du profil de la fente doit être de 26mm, et l'ouverture de 9mm. Les 13 antennes Vivaldi sont distribuées circulairement le long de la zone de focalisation sur le substrat 10 en forme de disque qui a un diamètre d'environ 8cm avec un espace au centre de 25mm de diamètre dans lequel sont logés les circuits de commutation, et les circuits d'émission I réception 13. Au besoin, le diamètre du disque 10 peut être augmenté pour dégager plus d'espace au centre afin de loger le reste des circuits d'antenne. Le dispositif de focalisation selon l'invention peut également avoir un profil obtenu à partir d'une section droite d'une lentille diélectrique non homogène, à gradient d'indice par exemple. L'invention peut aussi s'appliquer aux réseaux de communication domestiques en intérieur notamment à 60GHz avec une architecture maillée. Dans un système d'antenne selon l'invention, les éléments rayonnants ont une polarisation horizontale comme dans le cas des antennes Vivaldi. De manière générale, ces éléments rayonnants sont des éléments rayonnants planaires coplanaires disposés sur un substrat s'étendant dans le plan de symétrie horizontal du dispositif de focalisation en forme de bouée. Dans le cas d'une double polarisation ou d'une polarisation verticale, des cornets peuvent être utilisés comme éléments rayonnants. 9 REVENDICAT IONS 11 Système d'antenne haute fréquence multi-faisceaux, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de focalisation ayant un profil de révolution engendré par la section droite d'une lentille diélectrique (2; 5) tournant autour d'un axe (1;6) situé dans son plan. 2/ Système d'antenne selon la revendication 1, comprenant des éléments rayonnants (11) sous la forme d'antennes imprimées directives à 10 rayonnement longitudinal. 3/ Système d'antenne selon la revendication 2, dans lequel les éléments rayonnants sont imprimés sur un substrat commun (10). 4/ Système d'antenne selon les revendications 1 à 3, dans lequel chaque élément rayonnant est une antenne fente imprimée du type "Vivaldi" (11,12) . 5/ Système d'antenne selon la revendication 3, comprenant des 20 circuits d'émission et / ou de réception et / ou de commutation (13) disposés sur ledit substrat commun (10). 6/ Système d'antenne selon la revendication 5, dans lequel le dispositif de focalisation a un profil de révolution annulaire, dans lequel le 25 substrat a une forme de disque (10) et dans lequel les éléments rayonnants (11) sont disposés le long de la périphérie du substrat. 7/ Système d'antenne selon la revendication 6, dans lequel les éléments rayonnants (11) sont disposés autour des circuits d'émission et / 30 ou de réception et / ou de commutation (13). 8/ Système d'antenne selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le dispositif de focalisation est réalisé en mousse synthétique et a une section radiale circulaire (5). 91 Système d'antenne selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le dispositif de focalisation est réalisé en mousse synthétique et a une section radiale en forme de croissant (2). 10/ Station émettrice l réceptrice pour réseau de communication sans fil à architecture maillée, caractérisée en ce qu'elle comprend un système d'antenne selon l'une des revendications 1 à 9. 11/ Réseau de communication sans fil à architecture maillée, 10 caractérisé en ce qu'il comprend une ou plusieurs stations émettrices / réceptrices selon la revendication 10.