Brevet FR2909486A1 — publié le 20080606

La présente invention concerne les antennes multi secteurs, plus particulièrement une antenne multi secteurs formée de N antennes planaires. Le développement croissant des systèmes de communication, notamment sans fil, nécessite des systèmes de plus en plus complexes et performants tout en gardant des coûts de fabrication les plus bas possible et un encombrement minimal. Or dans ce domaine, les antennes représentent une exception à cette miniaturisation. En effet, elles sont soumises aux lois de la physique qui imposent un encombrement minimal pour un fonctionnement à une fréquence donnée. Ainsi, dans le cas des antennes planaires imprimées, les dimensions sont de l'ordre de la longueur d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement. Il est indéniable que les structures planaires imprimées sont parfaitement adaptées pour une production de masse de dispositifs intégrant des fonctions passives et actives. Cependant en ce qui concerne les éléments rayonnants, une structure planaire n'autorise pas un contrôle complet du rayonnement de l'antenne, notamment en élévation. D'autre part, la directivité et l'ouverture angulaire du lobe principal du diagramme de rayonnement de l'antenne sont directement liées aux dimensions de l'antenne qu'il est nécessaire d'augmenter pour obtenir une directivité importante et/ou une grande ouverture du lobe principal. De ce fait, les antennes multi secteurs utilisant une structure planaire actuellement sur le marché sont encombrantes et coûteuses. La présente invention propose une antenne multi secteurs en trois dimensions (3D) qui réduit la taille projetée de l'antenne tout en conservant de bonnes performances radio électriques notamment en rendement, largeur de bande de fréquence et diagramme de rayonnement. La présente invention concerne donc une antenne multi secteurs comprenant N (N>1) antennes planaires constituées chacune d'une fente à rayonnement longitudinal gravée sur un premier substrat muni d'un plan de masse et alimentée par une ligne d'excitation. Conformément à l'invention, les N premiers substrats sont fixés sur un second substrat commun de sorte 2909486 2 que l'axe de rayonnement de chaque antenne soit parallèle au dit second substrat, les N premiers substrats étant interconnectés selon un axe perpendiculaire au second substrat. Selon une caractéristique de l'invention, les N premiers substrats 5 sont en matière plastique. En conséquence, selon un premier mode de réalisation de l'invention, les N premiers substrats sont constitués par des éléments en ailette formés dans un bloc plastique, une des faces des éléments étant métallisée. 10 Selon un second mode de réalisation de l'invention, les N premiers substrats sont connectés sur un mât perpendiculaire au second substrat. Selon une autre caractéristique de l'invention, les N premiers substrats présentent sur le côté fixé sur le second substrat une partie élargie. D'autre part, le second substrat présente un plan de masse se raccordant au 15 plan de masse des N premiers substrats, le dit plan étant muni d'ouvertures pour le passage des lignes d'excitation. Selon un mode de réalisation de l'invention, les antennes de type fente à rayonnement longitudinal sont des antennes de type à ondes progressives, notamment des antennes de type Vivaldi. 20 Une antenne multi secteurs en trois dimensions utilisant la technologie plastique et ayant pour antenne de référence une antenne planaire de type fente à rayonnement longitudinal, notamment une antenne de type Vivaldi, autorise une grande flexibilité de réalisation. La technologie plastique permet la conception d'antennes multi secteurs en 3D qui peuvent 25 être directement reportées sur une carte électronique comme un composant CMS (pour composant monté en surface). Ce type d'antennes trouve des applications dans le domaine du sans fil, par exemple pour les caméras sans fil haute définition travaillant dans des bandes de fréquence de 4.8 à 6 GHz. 30 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description faite ci-après de différents modes de 2909486 3 réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : FIG. 1 est une représentation en plan d'une antenne de type Vivaldi utilisée dans la présente invention, 5 FIG. 2 est une coupe selon AA de fig. 1 FIG. 3 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation d'une antenne multi secteurs conforme à la présente invention, FIG. 4 est une vue de dessus de l'antenne de Fig. 3, FIG. 5 est une vue en coupe partielle selon B-B de la Fig. 4, 10 FIG. 6 est une vue en coupe partielle selon C-C de la Fig. 4, FIG. 7 est une vue de dessous de l'antenne de Fig. 3, FIG. 8 représente une courbe donnant les pertes par réflexion sur un des accès de l'antenne de Fig. 3, FIG. 9 représente le diagramme de rayonnement à 5.5 GHz d'un 15 secteur de l'antenne de Fig. 3, FIG. 10 est une vue en perspective d'un second mode de réalisation d'une antenne multi secteurs conforme à la présente invention, FIG. 11 est une vue en perspective d'un troisième mode de réalisation d'une antenne multi secteurs conforme à la présente invention. 20 Pour simplifier la description qui va suivre, dans les figures les mêmes éléments portent les mêmes références. La présente invention sera décrite en prenant pour antenne planaire constituée d'une fente à rayonnement longitudinale, une antenne de type Vivaldi. L'évasement de l'antenne Vivaldi peut présenter une forme 25 circulaire, rectiligne, exponentielle, etc D'autres types d'antennes planaires à fentes .rayonnantes peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l'invention. Sur les figures 1 et 2, on a représenté une antenne de type Vivaldi. Cette antenne est réalisée sur un substrat diélectrique 1 qui, dans le cadre de l'invention est constitué d'un matériau plastique tel que des 30 matériaux plastiques de la classe des PBT (Terephtalate de poly butylène), par exemple le Vestodur (er=4, tant=0.02) ou des LCP, par exemple le Vectra. Ce type de matériau peut être moulé ce qui permet de réaliser 2909486 4 l'antenne multi secteurs à partir d'un seul bloc, comme expliqué ci-après. Le substrat 1 est recouvert sur une face d'un matériau conducteur tel qu'un métal formant plan de masse 2, notamment le cuivre. Dans le plan de masse 2 est gravée une ligne fente 3 qui s'élargit progressivement jusqu'à 5 l'extrémité du substrat. Sur l'autre face du substrat est gravée une ligne micro ruban 4 pour l'excitation par couplage électromagnétique de la fente. D'autres types de ligne d'alimentation peuvent être envisagés sans sortir du cadre de la présente invention, notamment une alimentation par ligne coplanaire. Comme représenté sur la figure 1, la ligne d'excitation 4 se 10 prolonge jusqu'à un des bords du substrat 1, pour obtenir un point d'accès 5. On décrira maintenant avec référence aux figures 3 à 9, un premier mode de réalisation d'une antenne multi secteurs conforme à l'invention. Comme représenté sur la figure 3, l'antenne est constituée de quatre antennes Vivaldi 10A, 10B, 10C, 10D. Ces quatre antennes sont 15 montées sur un second substrat commun 14, muni sur sa face supérieure d'une couche conductrice formant plan de masse 14A. De manière plus spécifique, les quatre antennes Vivaldi sont fixées sur le substrat 14 de sorte que l'axe de rayonnement de la fente Vivaldi 11A, 11B, 11C, 11D soit parallèle au plan 14A du second substratl4. Les quatre antennes sont 20 positionnées selon les bords su substrat 14, toutefois les quatre antennes peuvent aussi être positionnées selon les diagonales du substrat ce qui diminue l'encombrement. Pour faciliter la fixation des antennes Vivaldi, le substrat de chaque antenne Vivaldi présente du côté de la fixation sur le substrat commun 14, une partie élargie telle que 17D sur les figures 1,5 et 6. 25 Cette partie élargie permet un report, par exemple par soudure, sur le second substrat 14 et assure ainsi une excellente continuité de la masse comme représenté sur la figure 5, par les références 10'D et 14A. toutefois, en fonction du matériau plastique choisi, le report par soudure n'est pas conseillé. Dans ce cas, les parties élargies des premiers substrats 30 comportent des pions de fixation qui viennent s'insérer dans des ouvertures prévues dans le second substrat . Le pion positionné dans le prolongement de la ligne d'excitation est conducteur et vient s'insérer dans une ouverture 2909486 5 métallisée de manière à obtenir une continuité électrique. De plus, cette partie élargie peut comporter des zones de positionnement ou piges 16 permettant une meilleure précision mécanique du report. Les quatre antennes Vivaldi sont interconnectées selon un axe 13 perpendiculaire au 5 plan du second substrat. L'ensemble des quatre antennes Vivaldi peut être réalisé à partir d'un bloc en plastique moulé pour former quatre ailettes correspondant aux quatre substrats. Dans le mode de réalisation représenté, les quatre ailettes sont perpendiculaires entre elles de manière à former une antenne à quatre secteurs. Chaque ailette est entièrement métallisée puis 10 gravée pour réaliser sur une face, la fente rayonnante, telle que 11A, 11B, 11C,et 11D et sur l'autre face la ligne d'excitation, telle que 12D. Comme représenté sur la figure 4, des zones non métallisées 15A, 15B, 15C et 15D sont prévues dans le plan de masse !4' du second substrat pour le passage des lignes d'excitation. Comme représenté sur la figure 6 par 12D, les lignes 15 d'excitation épousent le contour de la partie élargie des antennes Vivaldi et sont reliées à un circuit de commutation référencé 18 sur la figure 7. Ainsi le plan inférieur du second substrat diélectrique 14 comporte un circuit de commutation qui peut être constitué par des composants tels que des diodes PIN, des MEMs ou d'autres composants de commutation connectés aux 20 lignes d'excitation 12A, 12B, 12C, 12D des antennes Vivaldi et à la ligne d'alimentation commune 19. Une antenne de ce type a été simulée avec le logiciel de simulation électromagnétique HFSS basé sur la méthode des éléments finis de la société ANSOFT corporation en utilisant les valeurs suivantes: 25 Fréquence de fonctionnement 5.5GHz. Premier substrat: matériau plastique présentant une permittivité de 3.5 et une tangente de pertes de 0.01. Le substrat a une épaisseur de 0.77mm. Second substrat: de type Rogers 4003 présentant une permittivité 30 de 3.38 et une tangente de perte de 0.0027 et ayant une épaisseur de 0.81 mm. 2909486 6 Les résultats de la simulation sont donnés sur les figures 8 et 9. La figure 8 donne les pertes par réflexion sur une des 4 accès d'une antenne Vivaldi. Dans ce cas, l'adaptation reste large bande autour de la fréquence de fonctionnement de 5.5GHZ. La valeur de la directivité pour un unique 5 secteur éclairé, les trois autres étant désactivés, est de 6.9dBi. Le diagramme de rayonnement représenté sur la figure 9 reste en adéquation avec le diagramme de rayonnement d'une antenne Vivaldi placée dans un environnement sans contrainte. On décrira maintenant avec référence à la figure 10 un autre mode 10 de réalisation de la présente invention. Dans ce cas, l'antenne multi secteurs comporte huit antennes de type Vivaldi 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108 interconnectées au niveau d'un axe commun 100 perpendiculaire à un substrat commun 14. Chaque antenne de type Vivaldi est identique aux antennes de type Vivaldi décrite ci-dessus. Le nombre N maximal d'antennes 15 de type Vivaldi pouvant être interconnectées pour déterminer les secteurs est déterminé par les lois de la physique. On décrira maintenant avec référence à la figure 11 un troisième mode de réalisation de la présente invention. Dans ce mode de réalisation, les quatre antennes de type Vivaldi 20A, 20B, 20C, 20D sont connectées sur 20 un mât 24 muni d'une rainure 25 dans laquelle vient s'insérer un des bords du substrat de l'antenne Vivaldi. Le mât 24 est fixé perpendiculairement au second substrat 14. Dans ce mode de réalisation les antennes de type Vivaldi sont réalisées de manière indépendante par des techniques usuelles de métallisation de circuits. 25 Certains perfectionnements peuvent être apportés aux modes de réalisation décrits ci-dessus. Par exemple, le mât peut comporter des piges de positionnement supplémentaires ou être évidé dans sa partie inférieure pour pouvoir intégrer des composants sur le substrat commun. L'antenne conforme à la présente invention entraîne une 30 augmentation de la directivité et une diminution de la largeur de faisceau pour couvrir un secteur donné à l'aide d'un dispositif en trois dimensions. Cette antenne présente les avantages suivants: 2909486 7 a.Conservation de bonnes performances en terme de gain et de largeur de faisceau tout en conservant un encombrement réduit. b.Possibilité d'obtenir un nombre de secteur plus important qu'en technologie planaire. 5 c.Diversification des facteurs de forme grâce à l'apport de la troisième dimension. d.Flexibilité de conception, de construction et d'intégration grâce à la technologie plastique métallisé qui autorise des formes complexes et variées. REVENDICATIONS 1 Antenne multi secteurs comprenant N (N>1) antennes planaires (10A, 10B, 10C, 10D) constituées chacune d'une fente à rayonnement longitudinal gravée sur un premier substrat muni d'un plan de masse et alimentée par une ligne d'excitation, caractérisée en ce que les N premiers substrats sont fixés sur un second substrat commun (14) de sorte que l'axe de rayonnement de chaque antenne soit parallèle au dit second substrat, les N premiers substrats étant interconnectés selon un axe (13) perpendiculaire au second substrat. 2 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la ligne d'excitation est constituée par une ligne imprimée sur la face du premier substrat opposée à la face recevant la fente. 3 Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les N premiers substrats sont en matière plastique. 4 Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les N premiers substrats sont constitués par des éléments en ailette formés dans un bloc plastique, une des faces des éléments étant métallisée. 5 Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les N premiers substrats sont connectés sur un mât perpendiculaire au second substrat. 6 Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les N premiers substrats présentent sur le côté fixé sur le second substrat une partie élargie. 5 10 2909486 9 7 Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le second substrat présente un plan de masse se raccordant au plan de masse des N premiers substrats, le dit plan étant muni d'ouvertures pour le passage des lignes d'excitation. 8 Antenne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les N lignes d'excitation des antennes planaires sont reliées par l'intermédiaire d'un circuit de commutation à une ligne d'alimentation commune. 9 Antenne selon la revendication 8 caractérisée en ce que la ligne d'alimentation est une ligne imprimée réalisée sur le second substrat.