Brevet FR2892862A1 — publié le 20070504

La présente invention concerne les antennes d'émission/réception à diversité de rayonnement. Dans le cadre des réseaux sans fils, la demanderesse a proposé plusieurs solutions permettant de résoudre les problèmes d'évanouissement s ou de dégradations importantes du signal dus aux multi-trajets. La demanderesse a ainsi proposé, dans la demande de brevet français n 01 10696 une topologie d'antennes à diversité de rayonnement basée sur des antennes de type fente annulaire alimentée sélectivement Toutefois, ce type d'antenne présente des directivités de l'ordre de 3 ou 4 dB. Or, pour des io applications du type WADSL (Wireless ADSL ou ADSL sans fils), une directivité importante est nécessaire. En effet, dans le cadre d'une émission/réception en intérieur d'un signal de ce type, les contraintes sur le bilan de liaison sont extrêmement fortes notamment par l'effet de la pénétration du signal à l'intérieur des habitations, ce qui engendre une 15 atténuation de ce signal de plusieurs dB. De façon à ne pas augmenter le coût d'une telle solution par l'utilisation d'un amplificateur, l'augmentation de la directivité d'antenne est une solution. Par ailleurs, pour combattre les phénomènes résultants des multi-trajets existants, par exemple pour les applications du type WADSL, l'utilisation de la diversité est nécessaire. II est 20 proposé ici une solution utilisant à la fois la diversité permettant de combattre les multi-trajets, ainsi que la directivité évitant ainsi l'ajout d'amplificateur plus puissant mais aussi plus cher. Actuellement, pour réaliser des antennes présentant une bonne directivité, on utilise une topologie du type de celle représentée à la figure 1. 25 Cette topologie d'antenne en forme d'anneau est composée de tronçons de lignes microruban gravés sur un substrat diélectrique reliés à des éléments rayonnants et à des circuits d'émission/réception de signaux électromagnétiques. De manière plus spécifique, le dispositif de la figure 1 comporte 30 un anneau circulaire A réalisé par une ligne microruban gravée sur le substrat. Quatre tronçons de lignes microruban L1, L2, L3, L4 sont connectés à l'anneau A de telle sorte que la distance entre les deux tronçons de lignes microruban externes (L1, L4) est égale à 3X/4 où est la longueur d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement, tandis que la distance entre les autres tronçons de ligne (L1, L2 ; L2, L3 ; L3, L4) est égale à X/4. On obtient donc un périmètre de l'anneau égal à 6X14. Ces quatre tronçons de ligne présentant chacun une impédance Zo, forment quatre accès 1, 2, 3, 4. Les accès 1 et 3 sont connectés chacun à un élément rayonnant non représenté, tandis que les accès 2 et 4 sont connectés à des circuits d'alimentation. Lorsque l'on alimente l'ensemble par io l'accès 2, les deux éléments rayonnants connectés aux accès 1 et 3 sont alimentés en phase tandis que lorsque l'on alimente l'ensemble par l'accès 4, les deux éléments rayonnants connectés aux accès 2 et 3 sont alimentés en opposition de phase. Cet anneau hybride possédant deux accès, nécessite donc en amont de l'anneau, la présence d'un élément de 15 commutation permettant de commuter d'un accès à l'autre. Cette topologie est complexe, difficile à implémenter et encombrante du fait que les accès antennes et circuits sont disposés en quinconces, La présente invention concerne donc une antenne d'émission/ réception à diversité de rayonnement qui présente une bonne directivité et 20 qui est, de plus, facile à implémenter. La présente invention concerne une antenne d'émission/ réception à diversité de rayonnement comportant sur un substrat au moins un premier et un second éléments rayonnants connectés par un réseau de lignes d'alimentation à un circuit d'émission/réception de signaux 25 électromagnétiques, caractérisée en ce que le réseau est constitué par une première ligne d'alimentation connectée à un premier élément rayonnant et par un ensemble de deux secondes lignes d'alimentation connectées chacune par l'intermédiaire d'un élément de commutation au second élément rayonnant de manière à alimenter les deux éléments rayonnants en 30 phase ou en opposition de phase. L'ensemble des deux secondes lignes d'alimentation est relié à la première ligne d'alimentation par une troisième ligne d'alimentation, les première et troisième lignes d'alimentation étant connectées par une ligne d'alimentation commune au circuit d'émission/ réception de signaux électromagnétiques. Selon un premier mode de réalisation, les éléments rayonnants s sont constitués par des antennes- de type fente, plus particulièrement des fentes annulaires ou des fentes polygonales. Dans ce cas, les antennes de type fente sont connectées aux lignes d'alimentation par couplage électromagnétique, les lignes d'alimentation étant constituées par des lignes microrubans gravées sur la face du substrat opposée à la face portant les ~o antennes-source de type fente. Selon une autre caractéristique de la présente invention, la première ligne d'alimentation possède une longueur égale à la longueur d'une des secondes lignes d'alimentation plus la longueur de la troisième ligne d'alimentation. 15 Selon un autre mode de réalisation, les éléments rayonnants sont constitués par des antennes de type pastille ou patch . Dans ce cas, les lignes d'alimentation sont constituées, de préférence, par des lignes microruban gravées sur la face du substrat portant les patches . D'autre part, les éléments de commutation sont constitués par 20 exemples par des diodes, des MEMS ou microsystèmes électromécaniques, des transistors ou tout autre élément remplissant la fonction de commutation (type switch d u commerce) . Dans le cas des diodes , celles-ci sont montées tête-bêche et commandées par une même tension. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 25 apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après de divers modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : la figure 1 déjà décrite représente très schématiquement une topologie d'antenne selon l'art antérieur, la figure 2 est une vue en plan schématique d'un premier mode de réalisation d'une antenne à diversité de rayonnement conforme à la présente invention, la figure 3 est une vue identique à celle de la figure 2 montrant 5 les deux modes de fonctionnement de l'antenne conforme à la présente invention, la figure 4 est une vue schématique expliquant le montage des diodes, la figure 5 représente le diagramme de rayonnement des io antennes selon les deux configurations représentées à la figure 3, la figure 6 est une vue en plan schématique d'un deuxième mode de réalisation d'une antenne à diversité de rayonnement conforme à la présente invention, la figure 7 est une vue identique à celle de la figure 4 montrant les 15 modes de fonctionnement de la présente invention, la figure 8 représente les courbes d'adaptation de l'antenne selon les deux configurations représentées à la figure 5, et la figure 9 représente le diagramme de rayonnement des antennes selon les deux configurations représentées à la figure 5. 20 On décrira tout d'abord, avec référence aux figures 2 et 3, un premier mode de réalisation d'une antenne à diversité de rayonnement conforme à la présente invention. Comme représenté schématiquement sur la figure 2, l'antenne comporte deux éléments rayonnants 10, 11 qui sont 25 constitués par deux fentes annulaires réalisées de manière connue par gravure du plan de masse d'un substrat diélectrique . Dans le mode de réalisation, les deux fentes annulaires présentent un diamètre identique égal à kXs où Xs est la longueur d'onde dans la fente à la fréquence de fonctionnement choisie. Il est évident pour l'homme de l'art que les fentes 30 pourraient être de forme polygonale et avoir des dimensions différentes. Dans ce mode de réalisation, les antennes de type fente sont alimentées en utilisant une alimentation par couplage électromagnétique selon la méthode connue de Knorr. Toutefois sans sortir du cadre de la présent invention, d'autres méthodes peuvent être utilisées comme l'alimentation tangentielle de la fente.. De manière plus spécifique et comme représenté sur la figure 2, la première antenne 10 est alimentée par une ligne 22 réalisée sur la face du substrat opposée à la face sur laquelle sont réalisées les fentes annulaires. La ligne 22 coupe la fente 10 à une longueur k'Xm/4 de son extrémité avec Xm la longueur d'onde dans la ligne io microruban à la fréquence centrale de fonctionnement. Comme représenté sur la figure 2, la seconde fente annulaire 11 est alimentée par un ensemble de deux lignes d'alimentation 23, 24. Ces deux lignes d'alimentation 23 et 24 sont réalisées par des lignes microruban gravées sur la face du substrat opposée à la face recevant la fente 11. 15 Comme dans le cas de la première fente annulaire 10, l'alimentation est réalisée par couplage électromagnétique selon la méthode Knorr, les lignes 23 et 24 croisent la fente en des points P et P' se trouvant à une longueur k'Xm/4 de leur extrémité. Dans ce cas, le point de croisement P de la ligne 23 avec la fente 11 et le point de croisement P' de la ligne 24 avec la fente 20 11 sont diamétralement opposés, de manière à obtenir une alimentation en phase ou en opposition de phase, comme cela sera expliqué ultérieurement. Les deux lignes d'alimentation 23 et 24 sont reliées à une troisième ligne d'alimentation 25 qui est elle-même connectée avec la ligne d'alimentation 22 à une ligne d'alimentation commune 26 permettant de relier l'ensemble à 25 un circuit d'émission/réception d'ondes électromagnétiques non représenté. De plus, conformément à la présente invention, sur chacune des lignes d'alimentation 23 et 24, sont montées respectivement une diode Dl et une diode D2. Les diodes Dl et D2 sont montées tête-bêche et connectées à une tension commune de telle sorte que lorsque l'une des diodes est 30 passante, l'autre diode est bloquée et vice-versa. Une représentation schématique du montage des diodes est donnée sur la figure 4.. Comme représenté sur la figure, la diode Dl est montée passante entre un court-circuit CC et une ligne d'alimentation tandis que la dide D2 est montée passante entre la ligne d'alimentation et le court-circuit CC. Ainsi pour valider l'accès 2 (resp. 3), une tension négative (resp. positive) doit être appliquée à la diode D2 ((resp. D1), rendant D2 passante (resp. bloquée) et D1 bloquée (resp. passante). Conformément à la présente invention, la première ligne d'alimentation 22 présente une longueur L1 qui, pour un fonctionnement io optimal, est égale à la longueur L3 de la ligne d'alimentation 25 plus la longueur L2 d'une des secondes lignes d'alimentation 23 ou 24. On expliquera maintenant le fonctionnement de l'antenne à diversité de rayonnement de la figure 2 en se référant à la figure 3. Ainsi, comme représenté sur la partie a) de la figure 3, lorsque la 15 diode D1 est bloquée, la diode D2 est passante et les deux fentes annulaires 10 et 11 sont alimentées en phase, l'alimentation de la fente 11 étant réalisée par les lignes 25 et 24. Au contraire, lorsque, comme représenté sur la partie b) de la figure 3, la diode D2 est bloquée et la diode D1 est passante, l'alimentation de la fente 11 se fait par les lignes 25 et 23 20 et, dans ce cas, les deux fentes annulaires 10 et 11 sont alimentées en opposition de phase. On obtient donc, dans un cas, soit un diagramme de rayonnement correspondant à la somme des deux diagrammes de rayonnement lorsque l'alimentation des deux fentes annulaires est en phase soit un diagramme de rayonnement correspondant à la différence des deux 25 diagrammes lorsque l'alimentation des deux fentes annulaires est en opposition de phase. Ainsi, les schémas de la figure 5 montrent les diagrammes somme et différence obtenus avec les antennes de type fente annulaire représentées à la figure 3. On note une directivité de 6.6dB pour le diagramme somme et de 3.6db pour le diagramme différence 30 Le diagramme somme présente des lobes principaux dans le plan azimutal, tandis que le diagramme différence présente un nul dans le plan azimutal et des lobes principaux dans les plans à +1- 60 . On décrira maintenant avec référence aux figures 6 à 9, un autre mode de réalisation de la présente invention. Dans ce cas, les deux éléments rayonnants réalisés sur le substrat sont constituées par deux pastilles ou patches 30, 31 obtenues par gravure d'un plan de masse du substrat. Ces patches sont io dimensionnés, de manière connue, pour fonctionner à la fréquence désirée. Comme représenté sur la figure 6, le patch 30 est alimenté par une ligne d'alimentation 40 tandis que le patch 31 est alimenté par deux lignes d'alimentation 41, 42 connectées symétriquement de chaque côté du patch 31. Ces deux lignes d'alimentation sont reliées à une ligne commune 15 43. Conformément à la présente invention, sur les lignes d'alimentation 41 et 42 sont prévues respectivement des diodes Dl, D2 montées tête-bêche et alimentées par une tension commune. On décrira aussi avec référence à la figure 7, le fonctionnement 20 de l'antenne représentée à la figure 4. Lorsque la diode D2 montée sur la ligne d'alimentation 42 est bloquée et la diode Dl est passante, comme représenté sur la partie a) de la figure 7, les deux patches sont alimentés en phase tandis que lorsque, comme représenté sur la partie b) de la figure 7, la diode Dl montée sur la 25 ligne d'alimentation 41 est bloquée et la diode D2 est passante, les deux patches sont alimentés en opposition de phase. On a simulé à l'aide d'un logiciel connu, une antenne à diversité de rayonnement dont les éléments rayonnants sont des patches, comme représenté sur les figures 6 et 7. Dans ce cas, les deux patches 30 et 31 ont 30 été dimensionnés, de manière connue, pour fonctionner à 5.25 GHz et ils ont été mis en réseau comme proposé ci-dessus. Sur la figure 8, on a représenté les courbes d'adaptation correspondant aux deux configurations de la figure 7. Sur cette figure est représenté la courbe d'adaptation S(1,1) du patch 30, et la courbe d'adaptation S(2,2) du patch 31. Une adaptation au mieux égale à celle s observée pour chacun des patchs est attendue lors de la recombinaison des ports 1 et 2. On notera que la bande passante associée est directement liée au choix de l'élément de rayonnement. Sur la figure 9, on a représenté les diagrammes de rayonnement pour les deux configurations a) et b) de la figure 7. Dans le cas de la to première configuration, les deux patches 30 et 31 sont alimentés en phase et le diagramme de rayonnement obtenu est alors la somme des diagrammes de rayonnement des deux patches. Ce diagramme présente un lobe principal dans le plan azimutal et la directivité associée dans cette direction est alors de 9.3 dB. Dans la configuration 2, les patches sont 15 alimentés en opposition de phase. Dans ce cas, le diagramme de rayonnement est alors la différence des diagrammes de rayonnement des patches. Ce diagramme présente alors un nul dans le plan azimutal et deux lobes principaux dans les plans +1- 60 . La directivité associée à ces lobes est alors de 8 dB. Les directivités obtenues avec ce type d'antenne sont 20 donc bien plus importantes que la directivité obtenue avec les antennes à diversité de rayonnement selon l'art antérieur. Il est évident pour l'homme de l'art que les exemples ci-dessus ont été donnés à titre illustratif. REVENDICATIONS 1 ù Antenne d'émission/réception à diversité de rayonnement comportant sur un substrat au moins un premier et un second éléments rayonnants (10,11 ; 30,31) connectés par un réseau de lignes d'alimentation à un circuit d'émission/réception de signaux électromagnétiques, caractérisée en ce que le réseau est constitué par une première ligne d'alimentation (22 ; 40) connectée à un premier élément rayonnant (10 ; 30) et par un ensemble de deux secondes lignes d'alimentation (23, 24 ; 41, 42) io connectées chacune par l'intermédiaire d'un élément de commutation (Dl, D2) au second élément rayonnant (11; 31) de manière à alimenter les deux éléments rayonnants en phase ou en opposition de phase, l'ensemble des deux secondes lignes d'alimentation étant relié à la première ligne d'alimentation par une troisième ligne d'alimentation (25 ; 43) , les première 15 et troisième lignes d'alimentation étant connectées par une ligne d'alimentation commune au circuit d'émission/réception de signaux électromagnétiques . 2 ù Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les 20 éléments rayonnants (10, 11) sont constitués par des antennes de type fente. 3 ù Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les antennes de type fente sont constituées par des fentes annulaires ou des 25 fentes polygonales. 4 ù Antenne selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que les antennes de type fente sont connectées aux lignes d'alimentation par couplage électromagnétique. 30 5io ù Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les lignes d'alimentation (22, 23, 24, 25, 26) sont constituées par des lignes microruban gravées sur la face du substrat opposée à la face portant les antennes de type fente. 6 ù Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la première ligne d'alimentation (22) a une longueur (L1) égale à la longueur (L2) d'une des secondes lignes d'alimentation (23, 24) plus la longueur (L3) de la troisième ligne d'alimentation (25). i0 7 ù Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (30, 31) sont constitués par des antennes de type pastille ou patch . 15 8 ù Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce que les lignes d'alimentation (40, 41, 42, 43) sont constituées par des lignes microruban gravées sur la face du substrat portant les antennes de type pastille ou patch . 20 9 ù Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les éléments de commutation sont constitués par des diodes,(D1, D2) des transistor s, un circuit de commutation ou MEMs (Micro Electro Mechanical System ou microsystèmes électromécaniques). 25 10 ù Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce que les diodes sont montées têtebêche et commandées par une même tension.