Brevet FR2873857A1 — publié le 20060203

La présente invention concerne un dispositif rayonnant fonctionnant par couplage électromagnétique dans lequel est filtré un signal afin d'en rejeter au moins une fréquence indésirable. L'invention concerne également un procédé pour filtrer un signal afin d'en rejeter au moins une fréquence indésirable dans un dispositif rayonnant fonctionnant par couplage électromagnétique. Les télécommunications sans fils connaissent un fort développement depuis l'avènement de la téléphonie mobile grand public. Ces systè mes de communications se sont considérablement diversifiés et ne touchent plus seulement les réseaux téléphoniques mais également des systèmes de réseaux locaux sans fils, par exemple les réseaux WLAN à 2.4GHz et 5GHz. Des dispositifs rayonnants utilisant un couplage électromagnétique pour réaliser le transfert de puissance sont couramment utilisés dans de tels systèmes. On remarque que ces systèmes requièrent des ressources spectrales de plus en plus importantes pour pouvoir satisfaire la demande de nouvea ux services coûteux en terme de débit. Ainsi il devient nécessaire de gérer les ressources spectrales au mieux. L'exploitation des ressources allouées pour chacun des systèmes de communications doit donc être optimisée et les interactions éventuelles entre systèmes sans fils doivent être diminuées. Par ailleurs, les systèmes de communication bidirectionnels, tels que les systèmes satellitaires ou les applications multimédia domestiques sans fils, intègrent des fonctions d'émission/réception nécessitant une isolation importante entre ces deux voies, étant donné le rapport important entre les niveaux des signaux des voies d'émission et de réception. Ainsi, l'invention s'inscrit dans une démarche de diminution des interactions et consiste à rejeter les fréque nces indésirables telles que des raies parasites provenant d'autres systèmes, des parasites provenant de la chaîne d'émission/réception, une harmonique, une sous bande d'une antenne large bande... L'élimination de fréquences indésirables dans les systèmes de communication est généralement réalisée à l'aide d'un ou plusieurs filtres classiques connus de l'homme de l'art et placés dans la chaîne de transmission du système. Cependant, il est connu que les filtres ajoutent des pertes dans la bande utile du système de communication. La présente invention propose un dispositif rayonnant disposant de 10 moyens pour filtrer un signal de manière à en rejeter au moins une fréquence indésirable ne présentant pas les inconvénients des moyens de filtrage de l'art antérieur ainsi qu'un procédé de filtrage correspondant. La présente invention concerne un dispositif rayonnant tel que les conditions de couplage sont choisies de manière à permettre de rejeter au 15 moins une fréquence indésirable. Ainsi, le dispositif rayonnant dispose d'une fonction de filtrage intégrée. En effet, l'utilisation du couplage électromagnétique lui -même pour filtrer des fréquences indésirables permet selon l'invention d'intégrer cette fonction dans le dispositif rayonnant lui -même. Cela permet de relâ cher les contraintes de filtrage dans la chaîne de transmission et/ou d'améliorer le filtrage sans augmenter le nombre de pole d'un filtre déjà existant. On observe également une minimisation des pertes liées au filtrage étant donnée que le filtrage est permis par des conditions de non -couplage au niveau de la transition. Ainsi, l'invention permet, par exemple, d'éliminer les raies parasites provenant d'autres systèmes (exemple: antenne double mode), d'éliminer les parasites provenant de la chaîne d'émiss ion/réception, d'éliminer l'harmonique d'une antenne, d'éliminer une sous bande d'une antenne large bande (exemple: éliminer le 5GHz d'une antenne Ultra Large Bande 3 -10GHz) , d'améliorer l'isolation des accès d'une antenne bi -bande. Dans un mode de réalisation, le couplage électromagnétique se faisant à l'aide d'une transition ligne/fente, les conditions de couplage sont choisies par ajustement de la longueur de la ligne. Dans un autre mode de réalisation, le couplage électromagnétique se faisant à l'aide d'une transition ligne/fente, les conditions de couplage sont choisies par ajustement de la longueur de la fente. Ainsi, selon ces deux derniers modes de réalisation, la ou les fréquences indésirables sont éliminées au niveau du dispositif rayonnant lui - même et grâce à la transition ligne/fente. Da ns une réalisation, l'ajustement de la longueur est fonction du rapport de deux fréquences: l'une désirée, l'autre indésirable. L'invention concerne également un procédé pour filtrer un signal afin de rejeter au moins une fréquence indésirable, ledit procédé consistant à choisir des conditions de couplage électromagnétique permettant de rejeter la fréquence indésirable. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, la description étant faite avec référence aux dessins ci annexés dans lesquels: Fig. 1 est un schéma d'un dispositif rayonnant selon l'art antérieur. Fig. 2 est un schéma d'un dispositif rayonnant selon l'invention. Fig. 3a à Fig. 3e présentent plusieurs exemples de dispositifs rayonnants dans lesquels l'invention peut être mise en oeuvre. Fig. 4a représente un dispositif rayonnant selon l'art antérieur et Fig. 4b représente un dispositif rayonnant simila ire à celui de la Figure 4a dans lequel l'invention a été mise en oeuvre. Fig. 5 représente le spectre des dispositifs rayonnants représentés sur les figures 4a et 4b en fonction de la fréquence. Fig. 6a représente un dispositif rayonnant selon l'art antér ieur, Fig. 6b et Fig. 6c représentent deux dispositifs rayonnants similaires à ceux de la figure 6a dans lesquels l'invention a été mise en oeuvre. Fig. 7a à 7c représentent les résultats obtenus avec les dispositifs rayonnants présentés sur les figures 6 a à 6c. Sur la figure 1 est représenté un dispositif rayonnant fonctionnant par couplage électromagnétique selon l'art antérieur. Selon cette figure représentative d'un exemple de couplage électromagnétique, le couplage se fait en une zone de transition 1 entre une ligne M et une fente S. La ligne M est par exemple une ligne microruban et son rôle est de véhiculer les signaux vers le dispositif rayonnant, à partir d'un port d'alimentation 2. De manière à réaliser un couplage électromagnétique optimal, la fente S et la ligne M sont disposées selon une structure géométrique précise. La condition de couplage optimale au sein d'une transition ligne/fente de type Knorr est définie par l'équation suivante: c=_ÊS AHM où HM est le champ H de la ligne micro -ruban et ÉM est le champ E de la fente Cela se traduit de la façon suivante: pour que le couplage soit maximal, le champ H de la ligne microruban doit être maximal dans le plan de la transition et le champ E doit être maximal dans le plan de la transition. Cela implique que l'on ramène dans le plan de la transition un court -circuit (CC) sur la ligne microruban et un circuit ouvert (CO) dans la fente. Sur la figure 1 est ainsi présentée à titre d'exemple une méthode connue pour ramener les conditions de couplage optimales dans le plan de la transition à savoir un quart d'onde guidée)Gs/4 dans la fente S terminée par un CC et un quart d'onde guidée 2t..GM/4 sous la ligne M terminée par un CO. XGM et Xcs sont respectivement les longueurs d'onde guidée dans la ligne M et dans la fente S. Selon l'invention les conditions de couplage sont telles qu'elles permettent le filtrage d'une ou plusieurs fréquences indésirables. Ainsi, selon l'invention, les conditions de cou plage optimum sont dégradées en se mettant dans des plans, où, soit le champ E s, soit le champ Hm, n'est pas maximum. Ainsi un degré de liberté est disponible pour filtrer les fréquences indésirables. L'invention part du constat que le couplage a lieu dès lors qu'un des deux champs Es et HM n'est pas nul. En effet, d'après la formule du couplage dans la transition ligne/fente ( C = f Es A HM), le couplage à encore lieu tant que l'un des deux champs E s ou HM est différent de zéro. Ainsi, selon l'invention, filtrer une fréquence revient à ajuster la longueur, soit de la ligne microruban, soit de la fente, de façon à rejeter la fréquence indésirable de la transition ligne/fente. Selon que la ligne micro-ruban ou la fente se termine par un circuit ouvert ou un court-circuit, huit configurations sont alors possibles et exposées dans le tableau ci-dessous. Configuration N Condition de couplage Terminaison en Terminaison en dégradé / condition de bout de la ligne bout de la ligne couplage optimale fente micro-ruban Es dégradé / HM optimale CO CO 2 ES dégradé / HM optimale CO CC 3 ES dégradé / HM optimale CC CO 4 Es dégradé / HM optimale CC CC HM dégradé ! Es optimale CO CO 6 HM dégradé / ES optimale CO CC 7 HM dégradé ! Es optimale CC CO 2873857 6 8 HM dégradé 1 Es optimale CC CC Sur la figure 2 est représentée un exemple de réalisation selon la configuration n 7. Les longueurs de la fente L s et de la ligne Lm sont déterminées de façon à ce que le couplage lui-même permette le filtrage d'une fréquence indésirable F2, tout en permettant un fonctionnement correct à la fréquence F1. Afin de permettre un fonctionnement correct à la fréquence FI, la longueur de la fente L S entre la transition ligne/fente est de l'ordre de a É ),cs, /4 où 2GSl est la longueur d'onde guidée dans la fente à la fréquence FI et a un entier impair. La longueur LS est donc par exemple de.1Gs,/4. La longueur LM de la ligne micro-ruban se détermine de la façon suivante: pour rejeter la fréquence F2, la longueur de la ligne L M doit être de l'ordre de k É À.QM2 /2 où À.GM2 est la longueur d'onde guidée de la ligne micro - ruban à la fréquence F2 et k un entier. Pour assurer le couplage à la fréquence FI, la longueur de la ligne LM doit également être de l'ordre de.1.GM,14+k'.ÂGM,/2 où 2GM, est la longueur d'onde guidée de la ligne micro - ruban à la fréqu ence FI et k' un entier. D'où que la longueur LM doive satisfaire l'équation suivante LM =k- ÂGM2 _ GMI +k' É cmri 2 4 Soit F =- GM2 = 1+2Ék Fz ' GM1 2Ék Ainsi, pour tout rapport de deux fréquences (F1,F2), il existe un couple (k,k') proche de ce rapport. Par exemp le un tableau tel que proposé ci - 25 dessous et reprenant les valeurs possibles pour un certain nombre de couple (k,k'), permet de choisir le couple (k,k') le plus proche du rapport des fréquences (FI,F2). La longueur LM est alors choisie égale à k ÉL.GM2/2. Des calculs similaires à ceux effectués ci -dessus pour la configuration N 7 peuvent être aisément réalisés pour les autres configurations. Pour la généralisation, on appelle dans la suite L ND, la longueur qui correspond à des conditions non dé gradées, que cette longueur corresponde à une longueur de ligne ou de fente, et L D à des conditions dégradées, que cette longueur corresponde à une longueur de ligne ou de fente. Pour déterminer la longueur L ND, quatre cas se distinguent selon que la ligne micro-ruban ou la fente se termine par un CC ou un CO. Ces quatre cas sont résumés dans le tableau suivant où est la longueur d'onde guidée de la ligne micro-ruban pour la fréquence FI et),Gs, désigne la longueur d'onde guidée de la fente pour la fréquence FI, ce tableau donne les longueurs L ND pour lesquelles les conditions de couplage sont non dégradées: Cas Type de Type de LND Condition sur ligne terminaison de la a ligne N 1 Micro-ruban CO a É ),6,111 /4 Entier impair N 2 Micro-ruban CC a É ÀGM, /2 Entier N 3 Fente CO a É /2 Entier N 4 Fente CC a ÉÂGsi/4 Entier impair Par exemple, dans le cas N 1, la condition de couplage n'est pas dégradée pour la ligne micro-ruban qui est terminée par un CO, lorsque la longueur LND est de l'ordre de a É.lg,, ,/4 Pour déterminer la longueur L D qui génère des conditions de 20 couplage dégradées, quatre cas se distinguent à nouveau selon que la fente ou que la ligne se termine par un CC ou par un CO. Ces quatre cas sont résumés dans le tableau ci -dessous qui donne les longueurs LD pour chaque configuration de dégradation des conditions de couplage. Dans ce tableau, Â,,,,, est la longueur d'onde guidée de la ligne micro-ruban à la fréquence Fi et À.GS, désigne la longueur d'onde guidée de la 5 ligne fente à la fréquence Fi. Cas Type Type de Condition de filtrage Condition de couplage Conditions sur F11F2 de terminaison à F2 sur LD à F1 sur LD k et k' ligne de la ligne N 1 icro- CO k É GM2 /2 GMl /4+ k' É kGMI /2 k entier non F 1+2. k ruban nul = k' entier F 2Ék N 2 icro- CC GM2/4+k.10,2 /2 7_. 2GMI k entier F.= 2.k' ruban lC l2 K entier non nul F2 1+2 k N 3 Fente CO,GS2/4+ kÉ)GS2/2 k'. GSI/2 k entier F 2.k' k' entier non nul F; 1+2Ék N 4 Fente CC k.2GS2/2 ÀGSI/4+k'JtGSI/2 k entier non FI _ 1+2.k nul k' entier FZ 2.k Dans le cas N 1, où les conditions de couplage sont dégradées sur une ligne micro-ruban terminée par un CO, il faut que la longueur L o soit de 10 l'ordre de k É ÂGM2/2 où k est un entier non nul pour rejeter la fréquence F2. Pour assurer le couplage à la fréquence F1, la ligne L D doit également être de l'ordre de.1.GMI/4+k'É2GMI/2 où k' un entier. D'où que la longueur L D doit satisfaire à l'équation suivante: LD _ k. GM2 = GMI + k' GMI 2 4 2 Soit F - GM2 = 1+2 É k F2 'GMI 2Ék Ainsi pour tout rapport de deux fréquences (F1,F2), il existe un couple (k,k') proche de ce rapport. Le tableau de la fonction F1_ _ 1+2Ék' établi ci- F2 2Ék dessus permet de choisir le couple (k,k') le plus proche du rapport des fréquences (FI,F2). La longueur LD est alors choisie égale à k.4,2/2. Le tableau ci-dessous présente la valeur de la fonction F _ 2-k' en F2 1+ 2Ék fonction de k et k' pour k entier et pour k' entier non nul. II permet de choisir le couple (k,k') lorsque la fonction F; = 2.k' est considérée. F', 1+2Ék 1 2 3 4 5 6 7 0 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 1 0.67 1.33 2.00 2.67 3.33 4.00 4.67 1 0.67 1.33 2.00 2.67 3.33 4.00 4.67 2 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00 2.40 2.80 3 0.29 0.57 0.86 1.14 1.43 1.71 2.00 4 0.22 0.44 0.67 0.89 1.11 1.33 1.56 0.18 0.36 0.55 0.73 0.91 1.09 1.27 Pour des longueurs de L D importantes, il est possible de réduire cette longueur en prenant une valeur k inférieure (k entier). Le changement de cette valeur k modifie légèrement le couplage de la transition ligne/fente. Il agit également sur la périodicité P des harmoniques de filtrage où P = F2/k. On remarque que pour passer d'une ligne LD terminée par un CO à une ligne LD terminée par un CC, il faut simplement retrancher un quart de longueur d'onde guid ée à la valeur initiale. L'invention peut s'appliquer à tous les dispositifs rayonnants incluant une transition ligne/fente, notamment une antenne fente, une antenne fente annulaire, une antenne à rayonnement longitudinal (LTSA, Vivaldi, .. .), un dipôle imprimé... On trouve des transitions ligne/fente notamment dans les antennes fentes demi-onde ainsi que représentée sur la figure 3a, des antennes annulaires ainsi que représentée sur la figure 3b, des antennes à rayonnement longitudinal ainsi que représentée su r la figure 3c, les antennes dipôles ainsi que représentée sur la figure 3d, ou dans les transitions ligne/fente tête -bêche ainsi que représenté sur la figure 3e. Ci-après sont donnés deux exemples de réalisation de structures conçues sur un substrat de type Rogers RO4003 avec les caractéristiques suivantes: Er=3.38, TanD=0.0027, h=0.81 mm. exemple: Filtrage de l'harmonique 3 dans une antenne fente annulaire. La figure 4 montre d'une part, figure 4a, une antenne fente annulaire dimensionnée à une fréq uence FI = 5.5 GHz selon les méthodes classiques, et d'autre part, figure 4b, une antenne fente annulaire dimensionnée selon les règles de conception de l'invention pour rejeter l'harmonique 3, soit la fréquence F2 = 16.5 GHz. Cette antenne a été conçue se Ion la configuration N 8 présentée dans le tableau ci -dessus, c'est à dire avec un CC à l'extrémité de la ligne micro-ruban pour minimiser la longueur de la ligne à l'intérieur de la fente annulaire. La longueur de la ligne entre la transition et le CC est de 4M2/4. La figure 5 représente le gain des dispositifs rayonnants représentés sur la figure 4a (courbe en trait plein) et sur la figure 4b (courbe en trait pointillés) en fonction de la fréquence. Cette figure montre que l'harmonique 3 de l'antenne fente annulaire a bien été supprimée pour le dispositif rayonnant de la figure 4b. 2ème exemple: Filtrage d'une raie dans une transition ligne/fente. Sur les figures 6 sont représentées différentes structures pour filtrer un telle raie. Su r les figures 7, sont représentés les résultats obtenus avec les différentes structures présentées sur la figure 6 sous forme de deux courbes. La première courbe en trait plein représente le coefficient de réflexion dénommé dB(S11) ou dB(S22). La lecture d e cette courbe permet de voir comment le dispositif est adapté dans la bande fréquentielle. Ce dispositif est donc adapté pour fonctionner à la fréquence 5.5GHz. La seconde courbe en trait pointillés représente les pertes d'insertion et est dénommée dB(S21) ou dB(S12). La lecture de cette courbe permet de voir comment le dispositif atténue le signal entre les deux ports 1 et 2 des structures de la figure 6. La figure 6a montre une structure classique avec une transition ligne/fente tête-bêche à F1 = 5.5 GHz. On désire filtrer la fréquence F2 = 3 GHz selon la configuration N 7. Comme le montre la figure 7a, la fréquence F2 est atténuée de 2,5 dB sur la courbe dB(S21). Le rapport F1/F2 est de 1,83. D'après le tableau présenté auparavant, on déduit k et k' soit k=3, k'=5. Ainsi L D devient 3 ÉÀ.GM2/2. Cette nouvelle structure est proposée sur la figure 6b à une échelle différente. Avec cette nouvelle structure, on remarque que la fréquence F2 est atténuée de 20 dB sur la courbe dB(S21), comme représe nté sur la figure 7b. On note aussi qu'on peut diminuer la longueur de la ligne sur laquelle les conditions de couplage sont dégradées en choisissant une valeur de k plus faible, par exemple k=1. Ainsi L D devient),GM2/2. La structure est alors effectivement plus courte ainsi que représenté sur la figure 6c et on observe cependant que la fréquence F2=3GHz est toujours atténuée d'au moins 20dB ainsi que représenté sur la courbe dB(S21) de la figure 7c L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et l'homme du métier reconnaîtra l'existence de diverses variantes de réalisation comme par exemple la possibilité de courber les lignes et/ou les fentes dans le cas où elles seraient trop longues, ou encore de modifier la longueur d e la ligne et celle de la fente simultanément par rapport aux conditions optimales de couplage. Les circuits ouverts peuvent aussi notamment être des stubs radiaux ou tout autre structure remplissant cette fonction. REVENDICATIONS 1 Dispositif rayonnant fonctionnant par couplage électromagnétique, ledit dispositif étant tel que les conditions de couplage sont choisies de manière à permettre de rejeter au moins une fréquence indésirable. 2 Dispositif rayonnant selon la revendication 1, dans lequel le couplage électromagnétique se faisant à l'aide d'une transition ligne (M) /fente (S), les conditions de couplage sont choisies par ajustement de la longueur (L1) de la ligne (M). 3 Dispositif rayonnant selon la revendication 1, dans lequel, le couplage électromagnétique se faisant à l'aide d'une transition ligne/fente, les conditions de couplage sont choisies par ajustement de la longueur (L2) de la fente (S). 4 Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel l'ajustement de la Ion gueur est fonction du rapport de deux fréquences: l'une désirée, l'autre indésirable. Procédé pour filtrer un signal afin d'en rejeter au moins une fréquence indésirable dans un dispositif rayonnant fonctionnant par couplage électromagnétique, ledit p rocédé consistant à choisir des conditions de couplage électromagnétique permettant de rejeter la fréquence indésirable. 6 Procédé selon la revendication 5, dans lequel, le couplage électromagnétique se faisant à l'aide d'une transition ligne (M)/fente ( S), les conditions de couplage sont choisies par ajustement de la longueur (L 1) de la ligne (M). 7 Procédé selon la revendication 5, dans lequel, le couplage électromagnétique se faisant à l'aide d'une transition ligne/fente, les conditions de couplage s ont choisies par ajustement de la longueur (L 2) de la fente (S). 8 Dispositif rayonnant selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel l'ajustement de la longueur est fonction du rapport de deux fréquences: l'une désirée, l'autre indésirable.