Brevet FR2904481A1 — publié le 20080201

La présente invention concerne les antennes à amplificateur intégré, plus particulièrement une antenne de type fente telle qu'une antenne Vivaldi ou similaire connectée à des amplificateurs de puissance intégrés sur le même substrat. La technologie Wi-Fi fonctionnant selon le standard IEEE802.11a/b/g et opérant dans les bandes de fréquence 2.4 GHz et 5 GHz est aujourd'hui la mieux positionnée pour les transmissions sans fils à très haut débit, notamment en milieu domestique. La transmission de plusieurs flux vidéo, notamment haute définition entre, par exemple, une station ou set top box en langue anglaise (STB) et plusieurs terminaux tels que des ordinateurs portables, des appareils de télévision ou autre, nécessitent l'utilisation d'une modulation à ordre élevé pour atteindre le débit maximum permis par la norme, à savoir 54 Mbps. Les modulations d'ordre élevé telles que la modulation 64 QAM sont plus exigeantes en terme de puissance de sortie de l'amplificateur de puissance que les modulations classiques. En effet, le rapport C/N (Carrier to Noise ratio en langue anglaise ou rapport Porteuse sur Bruit) pour une qualité de réception donnée croît avec l'ordre de modulation. Par ailleurs, plus l'ordre de modulation est élevé, plus les tolérances aux non linéarités sont faibles et plus le recul (back off en anglais) de l'amplificateur de puissance doit être important. Le recul correspond à la marge par rapport à la puissance de sortie d'un amplificateur de puissance défini à 1dB de compression pour assurer un fonctionnement linéaire de l'amplificateur. Enfin la modulation OFDM à multiples porteuses utilisée dans les systèmes Wi-Fi étant à enveloppe non constante, elle est particulièrement sensible aux non linéarités de l'amplificateur de puissance. En conséquence, compte tenu de l'état de l'art des amplificateurs de puissance, toutes ces contraintes font qu'il est actuellement difficile de pouvoir émettre le maximum de puissance permis par les diverses régulations avec des contraintes de coût et de consommation de puissance compatibles avec les produits visés. 2904481 2 En particulier, dans la bande de fréquences haute des 5 GHz (5.47 GHz û 5.825 GHz), il est permis d'émettre jusqu'à 30 dBm de PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) en Europe et jusqu'à 35 dBm de PIRE pour les Etats-Unis. En utilisant des antennes avec des directivités 5 modérées de l'ordre de 8-10 dBi et en considérant 2 dB de perte de transmission, il faut des puissances de sortie linéaires tenant compte du recul supérieur à 22 dBm. Or, avec les amplificateurs de puissance actuellement disponibles, il n'est pas possible d'obtenir une puissance de sortie linéaire supérieure à 18 dBm. De ce fait, il est intéressant de pouvoir 10 combiner deux ou plusieurs amplificateurs présentant des puissances de sortie linéaires de l'ordre de 18 dBm pour atteindre les puissances visées. Ainsi, il est proposé, comme représenté sur la figure 1, d'utiliser une configuration avec deux amplificateurs montés en Push-Pull pour obtenir la puissance de sortie visée. 15 La figure 1 représente une antenne de type Vivaldi à amplificateurs intégrés utilisant une configuration Push-Pull des amplificateurs. De manière plus détaillée, sur un même substrat S muni d'un plan de masse G, on a réalisé une structure comportant une antenne de type Vivaldi 7 reliée à un circuit d'amplification. Cette antenne est connectée à une ligne micro ruban 20 d'excitation 6 en un point d'excitation 8 par couplage électromagnétique selon la technique de Knorr. De ce fait, la ligne micro ruban 6 est réalisée sur la face du substrat opposée à la face du plan de masse G. Le circuit des amplificateurs en configuration Push-Pull met en oeuvre deux anneaux hybrides 2 et 5 dont la représentation a été simplifiée. En effet, la résistance 25 de charge qui doit être située entre les deux accès 0/180 de chaque anneau n'est pas représentée sur cette figure. De manière plus spécifique et comme représenté sur la figure 1, la référence 1 désigne le port d'entrée destiné à être connecté au circuit d'excitation de l'antenne. Ce port d'entrée 1 est connecté à un premier anneau hybride 2 ayant la fonction d'un diviseur de 30 puissance 0-180 . De ce fait, on obtient sur les deux sorties 3 de l'anneau hybride 2, des signaux ayant des amplitudes identiques mais en opposition de phase. Chacune des sorties 3 est connectée par l'intermédiaire de lignes 2904481 3 d'adaptation de dimensions identiques, à la longueur d'onde de fonctionnement près, à un amplificateur de puissance 4. La sortie de chaque amplificateur de puissance 4 est connectée à l'entrée d'un second anneau hybride 5 jouant le rôle de circuit de combinaison de puissance. Cet anneau 5 hybride 5 est relié à la ligne d'excitation 6 de l'antenne de type Vivaldi. Cette configuration Push-Pull, qui met en oeuvre deux anneaux hybrides, entraîne un encombrement non négligeable lié à la surface occupée par les deux anneaux hybrides. Cette configuration entraîne aussi des pertes supplémentaires apportées par les anneaux hybrides et certaines limitations 10 en largeur de bande de fréquences liées aux largeurs de bandes des anneaux hybrides. La présente invention propose une nouvelle structure permettant d'intégrer des amplificateurs de puissance à une antenne fente, plus particulièrement à toute antenne utilisant une transition ligne/fente de type 15 Knorr. La présente invention concerne donc une antenne de type fente à amplificateurs intégrés comportant sur un substrat muni d'un plan de masse, un diviseur de puissance relié à une ligne d'alimentation, un amplificateur connecté à chacune des sorties du diviseur de puissance de manière à 20 alimenter les amplificateurs en opposition de phase, la sortie des amplificateurs étant reliée à un circuit de combinaison de puissance, caractérisée en ce que le circuit de combinaison de puissance est directement couplé au point d'excitation de l'antenne de type fente. Selon un mode de réalisation particulier, le circuit de combinaison 25 de puissance comporte une première ligne micro ruban électromagnétiquement couplée avec la fente de l'antenne de type fente à son point d'excitation, chaque extrémité de la première ligne micro ruban étant reliée à la sortie d'un amplificateur. De préférence, la première ligne micro ruban est couplée avec la fente de l'antenne de type fente en son 30 milieu. D'autre part, le diviseur de puissance comporte une fente couplée en entrée à la ligne d'alimentation et en sortie à une seconde ligne micro 2904481 4 ruban, chaque extrémité de la seconde ligne micro ruban étant reliée à l'entrée d'un amplificateur. Dans ce cas, le couplage entre la fente et la ligne d'alimentation ou entre la fente et la seconde ligne micro ruban est, de préférence, un couplage électromagnétique de type Knorr. De plus, la fente 5 est une ligne fente de longueur, de préférence, 3 X/4 dans laquelle est la longueur d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement. Selon une autre caractéristique de la présente invention, l'antenne de type fente est une antenne à fente à rayonnement longitudinal telle qu'une antenne de type Vivaldi, un dipôle imprimé, une ouverture rayonnante à profil 10 constant ou linéaire, ou tout autre antenne utilisant une transition ligne/fente de type Knorr. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans 15 lesquels : La figure 1 déjà décrite est une vue en plan schématique d'un mode de réalisation d'une antenne de type Vivaldi à amplificateurs de puissance intégrés selon l'art antérieur. La figure 2 est une vue en plan schématique d'une antenne de 20 type Vivaldi à amplificateurs intégrés, selon un premier mode de réalisation de la présente invention. La figure 3 est une vue en plan schématique agrandie de la partie diviseur de fréquences, utilisée avec l'antenne de la figure 1. La figure 4 représente en a les pertes en transmission et réflexion 25 et en b la phase entre le port d'entrée et chacun des ports de sortie du diviseur de fréquences de la figure 3. La figure 5 est une vue schématique en plan de dessus d'un second mode de réalisation d'une antenne de type Vivaldi à amplificateurs intégrés conforme à la présente invention. 30 Les figures 6A, 6B et 6C sont des vues en plan représentant les différents niveaux de couches conductrices pour la réalisation de l'antenne et de son circuit associé sur un substrat multi-couche selon la figure 5. 2904481 5 La figure 7 est une vue en perspective de la partie antenne telle que simulée. La figure 8 représente les courbes d'adaptation et d'isolation entre les deux accès à l'antenne. 5 La figure 9 représente le diagramme de rayonnement de l'antenne avec une excitation de l'antenne en 0 / 180 . On décrira maintenant avec référence aux figures 2 à 4, un premier mode de réalisation de la présente invention. Ainsi, comme représenté sur la figure 2, sur un substrat S muni 10 d'un plan de masse G, on a réalisé une antenne de type fente à rayonnement longitudinal, plus particulièrement dans ce cas une antenne de type Vivaldi 18. D'autre part, sur le même substrat, on a intégré le circuit d'amplification de puissance. De manière plus détaillée et comme représenté sur la figure 2, le circuit d'amplification de puissance comporte une ligne 15 d'alimentation 10 réalisée en technologie micro ruban. Cette ligne d'alimentation 10 est couplée électromagnétiquement selon un couplage de type Knorr à une première ligne fente 11. La ligne fente 11 est couplée en sortie à une première ligne micro ruban 12. Le couplage de la ligne micro ruban 12 avec la ligne fente 11 est réalisé au milieu de la ligne micro ruban 20 en utilisant un couplage électromagnétique de type Knorr. D'autre part, pour réaliser l'adaptation de l'ensemble, des stubs 13 sont prévus à chaque extrémité de la ligne fente 11 et à l'extrémité de la ligne micro ruban 10. Cet ensemble forme un diviseur de puissance permettant d'obtenir aux deux extrémités (P(0 ) et P(180 ) de la ligne 12, des signaux de même amplitude 25 mais en opposition de phase. Le diviseur de puissance est représenté de manière plus détaillée sur la figure 3 et son fonctionnement est expliqué avec référence à la figure 4 qui donne en a) les pertes en transmission et réflexion et en b) le déphasage en fonction de la fréquence entre les ports. Ainsi, on s'aperçoit que le 30 déphasage entre les deux ports de sortie P(0 ) et P(180 ) de la ligne micro ruban 12 reste égal à 180 sur une très large bande de fréquences. En effet, puisque cette structure est parfaitement symétrique par rapport à la fente, et 2904481 6 qu'il n'y a pas d'élément résonnant, le déphasage entre les deux ports est donc constant sur une très grande largeur de bande. Cela n'est pas le cas pour un anneau hybride, lui-même dimensionné à l'aide d'éléments dont la longueur est proportionnelle au quart de la longueur d'onde. 5 On peut d'autre part noter, sur la figure 4a, les bonnes performances en terme de pertes de transmission pour cette jonction inférieurs à 1 dB sur une large bande de fréquence. Les résultats donnés à la figure 4 ont été obtenus en simulant à l'aide du logiciel électromagnétique IE3D (Zeland) la structure de la figure 3 10 réalisée sur un substrat de type Rogers 4003 (Er = 3.38 mm, h = 0.81 mm et t = 17. 5 pm). Pour le diviseur de puissance, la ligne d'alimentation 10 est formée d'une ligne micro ruban d'impédance caractéristique 50 ohms et de largeur 1.85 mm et d'une ligne micro ruban d'adaptation de largeur 1.06 mm et de longueur 6.65 mm. La ligne micro ruban 12 de sortie du diviseur 15 présente une largeur de 1.56 mm et une longueur de 13.3 mm. Pour l'adaptation des stubs 13 sont utilisés. Le stub radial à l'extrémité de la ligne micro ruban 10 présente un rayon de 2.9 mm et une ouverture de 80 et les deux stubs radiaux à fente utilisés à chaque extrémité de la ligne fente présentent les mêmes dimensions. D'autre part, la ligne fente 11 présente 20 une largeur de 0.4 mm et une longueur de 11.5 mm. Comme représenté sur la figure 2, chaque extrémité de la ligne micro ruban de sortie du diviseur est reliée par l'intermédiaire de lignes d'adaptation 15 à l'entrée d'un amplificateur de puissance 14. De préférence, les amplificateurs utilisés sont des amplificateurs de puissance fonctionnant 25 en classe B. Toutefois, d'autres types d'amplificateurs peuvent être utilisés. La sortie de chaque amplificateur 14 est reliée respectivement à une entrée d'un circuit de combinaison de puissance décrit ultérieurement. Pour assurer l'équilibrage de phase entre les deux voies, dans le mode de réalisation représenté, les tronçons de ligne micro ruban 15 et 17 prévus avant et après 30 les amplificateurs, ont des longueurs strictement égales. D'autre part, comme représenté sur la figure 2 et conformément à une caractéristique essentielle de la présente invention, le circuit de 2904481 7 combinaison est directement couplé au point d'excitation de l'antenne de type fente, à savoir au point d'excitation 19 de l'antenne Vivaldi 18. De manière plus spécifique, le circuit de combinaison comporte une ligne micro ruban 16 électromagnétiquement couplée avec la fente de l'antenne Vivaldi 5 18 au niveau de son point d'excitation 19. Le couplage est un couplage électromagnétique de type Knorr et il est réalisé au milieu de la ligne micro ruban 16. De ce fait, la jonction micro ruban / fente combine constructivement la puissance provenant en sortie des deux amplificateurs de puissance 14 vers la ligne fente excitatrice de l'antenne Vivaldi 18. Les 10 longueurs de tronçons de ligne 17 étant strictement égales, les puissances arrivant par les deux accès 16a, 16b de la ligne micro ruban 16 se trouvent en opposition de phase. C'est cette différence de phase de 180 qui permet une combinaison constructive de la puissance au niveau de la fente. Des simulations réalisées sur la jonction seule montrent que, dans 15 le cas d'une excitation en opposition de phase, le gain de l'antenne de type Vivaldi varie entre 5 dB et 6.5 dB sur la bande 5 GHz û 6 GHz et chute brutalement en dessous de -7dB dans le cas d'une excitation en phase. Par ailleurs, cette jonction, en réfléchissant l'harmonique d'ordre 2, contribue à améliorer le rendement de chacun des amplificateurs de puissance. En effet 20 la transition de type de Knorr pour le stub en fente est de l'ordre d'un multiple d'un quart de la longueur d'onde. Ainsi, dans le plan de transition, le stub en fente ramène à la fréquence de travail un plan de circuit ouvert ce qui permet entre autre le couplage. Or à la fréquence double ce même stub ramène alors un court-circuit dans le plan de la transition, 25 minimisant ainsi le couplage. Ceci supprime l'harmonique d'ordre 2. On décrira maintenant avec référence aux figures 5 et 6, un autre mode de réalisation de la présente invention. Ce mode de réalisation utilise un substrat multi couches à très bas coût connu sous la dénomination FR4. Ce substrat comporte deux couches 30 diélectriques, et trois couches de métallisation : une couche supérieure, une couche intermédiaire et une couche inférieure. Les épaisseurs des deux couches diélectriques sont respectivement de 0.26 mm et 0.41 mm. La 2904481 8 première couche conductrice externe ou couche supérieure permet d'imprimer les lignes micro ruban et les pistes d'alimentation, comme représenté sur la figure 6A. Sur cette face supérieure sont également reportés les composants tels que les amplificateurs PA, des selfs de choc L 5 et des capacités de découplage C. Sur la deuxième couche conductrice ou couche intermédiaire, représentée plus particulièrement sur la figure 6B, sont imprimées des lignes à fente et l'antenne de type fente à rayonnement longitudinal, à savoir dans le mode de réalisation représenté, une antenne de type Vivaldi 20. Sur la troisième couche conductrice ou couche inférieure 10 représentée sur la figure 6C, sont uniquement imprimées les pistes d'alimentation 21, 22 des amplificateurs de puissance. Cette troisième couche permet d'alimenter les deux amplificateurs de puissance PA tout en évitant de croiser les pistes RF imprimées sur la face supérieure. D'autre part, sur ces figures, l'on a représenté schématiquement des vias ou 15 trous permettant l'interconnexion des pistes Dans ce mode de réalisation et comme représenté sur la figure 5, le diviseur de puissance et le circuit de combinaison de puissance utilisent le même principe que celui utilisé dans le mode de réalisation de la figure 2. Toutefois la disposition de la ligne fente du diviseur de puissance et la 20 disposition des lignes micro ruban ont été faites de manière à assurer une isolation suffisante entre les entrées et sorties des amplificateurs de puissance tout en réduisant l'encombrement du circuit. En effet, comme représenté sur la figure 5, la ligne fente 23 du diviseur de puissance est perpendiculaire à la fente de rayonnement de 25 l'antenne de type Vivaldi 20. Cette disposition particulière permet de réduire les couplages par rayonnement et d'éviter ainsi les problèmes potentiels d'oscillation des amplificateurs. De manière plus détaillée, le diviseur de puissance de la figure 5 comporte une ligne d'alimentation 24 constituée d'une partie externe TO 30 formée d'une ligne d'impédance caractéristique 50 ohms et de largeur 0.48 mm se prolongeant par une ligne micro ruban T3 formant transformateur d'impédance de largeur 0.35 mm et de longueur 6.3 mm et d'une ligne micro 2904481 9 ruban en circuit ouvert Ti de largeur 0.25 mm et de longueur 6.9 mm. Cette ligne d'alimentation 24 est couplée électromagnétiquement selon un couplage Knorr à la ligne fente 23 formée de deux lignes fente en circuit ouvert T2 de largeur 0.25 mm et de longueur 7.2 reliées par une ligne fente 5 de transition T4 de largeur 0.25 mm et de longueur 7.9 mm perpendiculaire à la ligne fente de l'antenne de type Vivaldi 20. Pour un fonctionnement adapté, la ligne fente 23 présente une longueur totale, de préférence, égale à 3X/4 où est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. 10 La ligne fente 23 est couplée en sortie à une ligne micro ruban 25 qui se prolonge par deux lignes micro ruban 26 d'impédance caractéristique 50 ohms et de largeur 0.48 connectant chaque sortie du diviseur de puissance à un amplificateur de puissance PA. La ligne micro ruban 25 comporte en son milieu un tronçon d'adaptation 25a rajouté au noeud central 15 du diviseur, afin de compenser un déséquilibre en amplitude entre les sorties du diviseur. D'autre part, les tronçons de ligne 26 ont des longueurs identiques. La sortie de chaque amplificateur de puissance PA est reliée par un tronçon de ligne 27 à une entrée d'un circuit de combinaison de puissance formé par une ligne micro ruban 28 couplée 20 électromagnétiquement en 29 à l'antenne de type Vivaldi 20. Les lignes de sortie 27 des amplificateurs présentent une impédance caractéristique de 50 ohms et une largeur de 0. 48 mm et sont de longueur identique à la longueur d'onde près. Le circuit de combinaison de puissance est formé par une ligne 25 micro ruban 28 couplée électromagnétiquement selon un couplage de type Knorr au point d'excitation 29 de la fente de l'antenne de type Vivaldi. Le point d'excitation 29 se trouve au milieu de la ligne micro ruban 28. Dans ce cas, la ligne micro ruban présente une largeur de 0.84 mm et une longueur de 12.3 mm. L'antenne Vivaldi telle que représentée sur la figure 5 présente 30 les dimensions suivantes : Embouchure a de la fente évasée = 25.2 mm, bords b de l'antenne Vivaldi = 6 mm, 2904481 10 longueur d de la partie évasée = 21.3 mm, largeur e de la fente d'excitation = 0.82 mm, longueur c de la fente d'excitation = 9.8 mm. La partie antenne telle que représentée sur la figure 7 a été 5 simulée par un simulateur électromagnétique HFSS intégrant le plan de masse utile pour l'intégration de la fonction push-pull. Les résultats de la simulation sont représentés sur les figures 8 et 9. La figure 8 représente l'adaptation des deux accès et isolation entre ces deux accès. Une adaptation autour de -6 dB et une isolation 10 meilleure que -6dB permet d'avoir un bon rendement dans le cas d'une excitation des deux accès en 0 et 180 . La figure 9 représente le diagramme de rayonnement en gain @5.4GHz avec une excitation de l'antenne en 0 /180 . Cette antenne donne un gain supérieur à 5.5dBi. Il est évident pour l'homme de l'art que ce gain 15 peut être modifié en ajustant le profil de l'antenne Vivaldi. Il est évident pour l'homme de l'art que les dimensions ci-dessus sont données à titre d'exemple et pour montrer la faisabilité de la présente invention. Elles ne sont nullement limitatives. 20 REVENDICATIONS 1- Antenne de type fente (18, 20) à amplificateurs intégrés comportant sur un substrat (S) muni d'un plan de masse (G), un diviseur de puissance (10, 11, 12 ; 24, 23, 25) relié à une ligne d'alimentation, un amplificateur (14, PA) connecté à chacune des sorties du diviseur de puissance de manière à alimenter les amplificateurs en opposition de phase, la sortie des amplificateurs étant reliée à un circuit de combinaison de puissance (16, 19 ; 28, 29), caractérisée en ce que le circuit de combinaison de puissance est directement couplé au point d'excitation de l'antenne de type fente. 2- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit de combinaison de puissance comporte une première ligne micro ruban (16, 28) électromagnétiquement couplée (19, 29) avec la fente de l'antenne de type fente (18, 20) à son point d'excitation, chaque extrémité de la première ligne microruban étant reliée à la sortie d'un amplificateur. 3- Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la première ligne micro ruban est couplée avec la fente de l'antenne de type fente en son milieu. 4- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le diviseur de puissance comporte une fente (11, 23) couplée en entrée à la ligne d'alimentation (10, 24) et en sortie à une seconde ligne micro ruban (12, 25), chaque extrémité de la seconde ligne micro ruban étant reliée à l'entrée d'un amplificateur. 5- Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que le couplage entre la fente et la ligne d'alimentation ou entre la fente et la seconde ligne micro ruban est un couplage électromagnétique de type Knorr. 6- Antenne selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que la fente est une ligne fente de longueur 3X/4, étant la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. 2904481 12 7- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'antenne de type fente est une antenne à fente à rayonnement longitudinal telle qu'une antenne de type Vivaldi, un dipôle imprimé, une antenne à ouverture rayonnante à profil constant ou linéaire, ou 5 tout autre antenne utilisant une transition ligne/fente de type Knorr.