Brevet FR2968846A1 — publié le 20120615

La présente invention concerne un système d'antennes multifaisceaux, notamment un système d'antennes multifaisceaux utilisable dans le contexte des communications sans fils, plus particulièrement dans les réseaux domestiques sans fils dans lesquels les conditions de propagation des ondes électromagnétiques sont très pénalisantes du fait des multiples trajets. Pour les applications émergeantes telles que les réseaux domestiques sans fils, les réseaux intelligents ou les réseaux similaires, l'utilisation d'antennes directives, à savoir d'antennes ayant la faculté de focaliser la puissance rayonnée dans une direction particulière de l'espace se montre être particulièrement attractive. Toutefois, les lois de la physique imposent un encombrement minimal pour les antennes, cet encombrement étant d'autant plus important que l'antenne est directive ou que sa fréquence de fonctionnement est basse. Jusqu'à maintenant, l'emploi d'antennes directives est resté limité aux applications fonctionnant aux très hautes fréquences, souvent à faisceaux fixes, et ne présentant pas de contraintes d'encombrement telles que les applications radars ou les applications satellites. Ainsi, pour ce type d'applications, on connaît des dispositifs antennaires qui génèrent des faisceaux multiples mais composés de nombreux modules souvent complexes et couteux. Inversement, des dispositifs antennaires appelés antennes rétrodirectives, permettent de façon très simple de former un faisceau directif dans une direction privilégiée de l'espace. Les réseaux d'antennes rétrodirectifs sont basés sur le fait que chaque antenne du réseau reçoit le signal incident d'une source avec une différence de marche caractéristique, à savoir une phase différente. Cette différence de phase est caractéristique de la direction de la source émettrice. En fait, pour que le signal à envoyer soit émis en direction de la source, il suffit que la différence de phase entre chaque antenne à l'émission soit opposée à celle en réception de manière à anticiper la différence de marche sur le trajet retour. Parmi les réseaux d'antennes rétrodirectifs, le réseau le plus connu est le réseau appelé réseau « Van-Atta » qui est décrit, notamment, dans le brevet américain 2 908 002 du 6 octobre 1959. Comme représenté sur la figure 1, un réseau rétrodirectif de type Van-Atta est constitué par un nombre pair d'éléments rayonnants 1 a, 1 b, 2a, 2b, 3a, 3b symétriques par rapport à l'axe central Oy du réseau. Les éléments rayonnants sont reliés par pairs, l'élément rayonnant 1 a étant relié à l'élément rayonnant 1 b, l'élément rayonnant 2a relié à l'élément rayonnant 2b, l'élément rayonnant 3a relié à l'élément rayonnant 3b, par des lignes de transmission 1, 2, 3 présentant des longueurs électriques égales, les antennes étant symétriquement opposées par rapport à l'axe central du réseau. Dans ce cas, le déphasage induit par les lignes de transmission est donc le même sur tous les éléments rayonnants et la différence de phase entre deux éléments rayonnants consécutifs est la même à la réception du signal et à l'émission du signal rétrodirigé au signe près. Les déphasages entre les signaux des éléments rayonnants du réseau émettant sont donc opposés au déphasage entre les signaux des éléments rayonnants du réseau recevant. On obtient donc une rétrodirectivité du signal émis. Toutefois, cette méthode présente un certain nombre d'inconvénients non-négligeables. Pour obtenir la rétrodirectivité du signal, le front de l'onde incidente doit être plan. De plus, le réseau d'antennes doit être plan ou tout au moins symétrique par rapport au centre du réseau. Comme le front de l'onde incidente doit être plan, il est nécessaire que le réseau d'éléments rayonnants soit positionné dans la zone de champ lointain de la source émettrice. De ce fait, les applications des réseaux de type Van-Atta n'ont été, jusqu'à maintenant, que des applications de type satellite ou radar. Suite à des études faites sur ce type de réseaux rétrodirectifs, la présente invention se propose d'utiliser le principe d'un réseau d'éléments rayonnants pour réaliser un système d'antennes multifaisceaux pouvant être utilisé dans des applications de communications sans fils, notamment dans les réseaux domestiques sans fils ou dans des réseaux du type pair à pair communiquant par des liaisons sans fils, plus particulièrement, dans le cadre de systèmes dits MIMO pour « Multiple Input Multiple Output », à savoir « Entrée multiple sortie multiple » en français mais aussi dans des systèmes antennaires à une seule antenne associée à des systèmes de traitement fonctionnant avec des antennes directives. La présente invention a donc pour objet, un système d'antennes s multifaisceaux comportant un réseau de N éléments rayonnants, N étant un nombre entier pair, les éléments du réseau étant reliés deux à deux par des lignes de transmission, caractérisé en ce qu'il comporte de plus M sources rayonnantes, M étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, là où lesdites sources rayonnantes étant positionnées chacune à une distance Li du centre Zo du réseau telle que la distance Li est strictement inférieure à la distance de champs dit lointain et i varie de 1 à M. Les notions de champ lointain et de champ proche ont été décrites notamment dans un article de l'IEEE Antennas and Propagation Magazine vol. 46, No. 5, Octobre 2004 intitulé « Radiating Zone Boundaries of Short X/2 and a, Dipoles ». Ainsi, pour une 15 source de petite dimension vis-à-vis de la longueur d'onde, la distance Li est inférieure à 1.6X où a, est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement (dans l'air X=Xo et dans un milieu différent X=Xg, tel que = À,o avec sr et tir la permittivité et la perméabilité du milieu) Selon un mode de réalisation préférentiel, les éléments du réseau 20 sont reliés deux à deux symétriquement par des lignes de transmission ayant une même longueur électrique et le nombre de sources rayonnantes est strictement supérieur à 1. De préférence, dans le cadre d'un système MIMO, le nombre de sources rayonnantes est égal au nombre d'entrées du système MIMO. 25 Selon un autre mode de réalisation, le système d'antennes multifaisceaux comporte une source rayonnante et la directivité des faisceaux est obtenue en intégrant dans au moins une des lignes de transmission, un circuit actif permettant de modifier le déphasage de la ligne. A titre d'exemple, le circuit actif peut être un coupleur hybride ou un filtre du 30 type de ceux décrits dans la demande de brevet français n° 09 58282 déposée le 23 novembre 2010 au nom de THOMSON Licensing. Selon un autre mode de réalisation, un filtre passif introduisant un déphasage constant et permettant un filtrage fréquentiel est introduit dans les lignes transmissions reliant 2 à 2 les éléments du réseau permettant par exemple d'améliorer en réception la réjection d'un brouilleur ou à l'émission, s de réduire un rayonnement parasite de la source rayonnante. Selon différents modes de réalisation de la présente invention, les éléments rayonnants du réseau sont constitués par des éléments choisis parmi les monopoles, les patchs, les fentes, les cornets ou similaires. De même, les sources rayonnantes sont aussi constituées par des sources Zo choisies parmi les monopoles, les dipôles, les patchs, les fentes, les cornets ou similaires. Selon un mode de réalisation préférentiel, dans le cas d'utilisation de monopoles comme éléments rayonnants du réseau, les monopoles ont une dimension d = X/4 où est la longueur d'onde à la fréquence de 15 fonctionnement. D'autre part, la distance entre chaque élément rayonnant est un multiple de X/4 où est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. Il est évident que d'autres distances peuvent être envisagées sans sortir du cadre de la présente invention. D'autre part, lorsque le système présente plusieurs sources 20 rayonnantes, selon un mode de réalisation, une des sources rayonnantes est positionnée selon l'axe de symétrie du réseau d'éléments rayonnants, les autres sources étant décalées d'un angle Oi avec i variant de 2 à M. Selon un autre mode de réalisation, les sources sont symétriques par rapport à l'axe central du réseau et sont décalées d'un angle Oi avec i variant de 2 à M. 25 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après de plusieurs modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : La figure 1 déjà décrite est une représentation schématique d'un 30 réseau rétrodirectif de type Van Atta. La figure 2A est une vue en perspective schématique d'un premier mode de réalisation d'un système d'antennes multifaisceaux conforme à la présente invention, la figure 2B représentant la partie agrandie du système d'antennes multifaisceaux de la figure 2A. La figure 3 représente les diagrammes de rayonnement d'un système multifaisceaux tel que représenté à la figure 2 pour une première valeur de la distance entre les éléments du réseau et en fonction des sources utilisées. La figure 4 représente les diagrammes de rayonnement d'un second mode de réalisation tel que représenté à la figure 2 pour une seconde valeur de la distance entre les éléments du réseau et en fonction des sources utilisées. La figure 5 est une vue en perspective schématique d'un second mode de réalisation de la présente invention. Les figures 6A et 6B représentent en 3D les diagrammes de rayonnement du mode de réalisation de la figure 5 en fonction de la source utilisée. Les figures 7A et 7B représentent une coupe en 2D selon un plan orthogonal aux sources des diagrammes des figures 6A et 6B On décrira tout d'abord avec référence aux figures 2, 3 et 4, un premier mode de réalisation d'un système d'antennes multifaisceaux conforme à la présente invention. Sur un substrat 10 de grande dimension muni d'un plan de masse, on a réalisé un système comportant un réseau de monopoles de type Van Atta et plusieurs sources, les monopoles étant positionnés dans le champ proche des sources, comme cela sera expliqué de manière plus détaillée ci-après. Dans le mode de réalisation représenté, le substrat est un carré de longueur L = 4.6 où est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement (dans l'air = X0). Comme représenté de manière plus détaillée sur la figure 2B, la partie antennaire est constituée d'un réseau de 4 éléments 11 a, 11 b, 12a, 1 2b formé, dans le mode de réalisation représenté, par des monopoles de hauteur h - X0/4. Les monopoles 11 a, 12a, 1 2b, 11 b sont chacun séparés d'une distance d et reliés deux à deux par un réseau de lignes réalisées en technologie microruban qui, dans le mode de réalisation représenté, sont de type Van Atta, c'est-à-dire que les lignes reliant deux monopoles sont de même longueur électrique pour obtenir une même phase. De manière plus précise, les deux monopoles externes 11 a et 11 b sont reliés par la ligne 11 tandis que le monopole 12a est relié au monopole 1 2b par la ligne 12, l'ensemble étant symétrique par rapport à l'axe Oy. Dans le mode de réalisation représenté ci-dessus, on a utilisé un réseau de type Van Atta, toutefois il est évident pour l'homme de l'art qu'un réseau différent permettant de contrôler la direction du faisceau renvoyé vers la source peut aussi être utilisé. D'autre part, les éléments du réseau représentés sont des monopoles. Toutefois il est évident pour l'homme de l'art que l'on peut utiliser d'autres types d'éléments pour le réseau, notamment des patchs ou des fentes, comme cela sera décrit ci-après. Conformément à la présente invention, plusieurs sources rayonnantes sont positionnées en face du réseau de monopoles à une distance Li du réseau. La distance Li est choisie de façon à réduire l'encombrement total du système antennaire. Dans le cas présent elle est inférieure à la distance de champ lointain. Pour des antennes dont les dimensions sont proches ou inférieures à la longueur d'onde (Xo), la distance Li est inférieure à 1.6 X0 où X0 est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. Ainsi, dans le mode de réalisation représenté à la figure 2B, une première source S1 centrale selon l'axe Oy correspondant à l'axe de symétrie du réseau est positionnée à une distance L du centre du réseau, une seconde source S2 est positionnée à une distance LS1 du centre du réseau et une troisième source S3 est positionnée symétriquement à S2 par rapport à la source S1 à une distance LS1 du centre du réseau. De ce fait, les sources S1 et S2 sont décalées d'un angle 6i par rapport à la source S1. Dans le mode de réalisation représenté, les sources S1, S2 et S3 sont constituées par des monopoles de hauteur X0/4. Toutefois il est évident pour l'homme de l'art que d'autres types de sources rayonnantes peuvent être envisagés. L'une des conditions à respecter pour obtenir un système d'antennes multifaisceaux compact est que le réseau des N éléments rayonnants se trouve dans la zone de champ proche de la ou des sources. Cette condition est obtenue en plaçant la source à une distance comprise entre X0 et 1.6 X0 du centre du réseau avec X0 la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement si la source a des dimensions proches ou inférieures à Xo. Dans le cas contraire, la distance de champ lointain est déterminée par la formule bien connue de l'homme de l'art 2*D2/Xo où D est la plus grande dimension de l'antenne. Le mode de réalisation de la figure 2B a été simulé à l'aide d'un simulateur électromagnétique 3D (HFSS) de la société ANSYS. En prenant en compte les couplages mutuels, les simulations ont été effectuées en utilisant deux valeurs différentes pour l'écart entre les éléments du réseau, à savoir d = X0/2 pour un premier mode de réalisation et d = X0/4 pour un second mode de réalisation, les autres dimensions, à savoir la distance L = 0.4 X0, la distance LS1 = X0 et l'angle 01 = 60° étant identiques pour les deux modes de réalisation. La figure 3 représente les résultats obtenus pour le premier mode de réalisation tandis que la figure 4 représente les résultats obtenus pour le second mode de réalisation. Dans ces figures, les sources excitées sont représentées par un cercle noir. Lorsqu'une source est excitée, elle rayonne de façon omnidirectionnelle dans le plan azimutal. De ce fait, la source illumine le réseau et chaque élément du réseau capte une partie du signal. Celui-ci est réinjecté vers l'élément qui lui est relié à travers la ligne microruban correspondante. Le diagramme résultant est la superposition du rayonnement de la source et du réseau. On notera sur la figure 3 que le diagramme est orienté dans des directions différentes en fonction de la position de la source excitée, ce qui permet d'obtenir un système multifaisceaux avec le système représenté à la figure 2B puisque l'on obtient un rayonnement directif du réseau. Ce rayonnement peut être modifié en insérant une partie active dans le réseau pour minimiser le rayonnement de la source. Les contributions des sources et du réseau peuvent être modifiées en changeant la distance entre les sources et le réseau (couplage +/- fort) mais aussi en insérant par exemple un circuit d'amplification bidirectionnel dans le réseau au niveau des lignes de transmissions. On comprend aisément que, de ce fait, le réseau aura une contribution plus forte que la source d'excitation. Cela offre aussi un avantage en réception par rapport au bruit ramené, car l'amplification se fait plus en amont dans la chaine. Par voie de conséquence cela permet d'augmenter le rapport signal à bruit du dispositif complet. Dans le second mode de réalisation, la distance inter-élément du réseau est plus faible. Comme les sources sont placées à la même distance par rapport au centre du réseau, la différence de phase et d'amplitude entre les éléments extrêmes du réseau est donc diminuée. On notera, comme représenté sur la figure 4, que les diagrammes de rayonnement obtenus sont plus accentués concernant leur directivité. En fait, le maximum de rayonnement obtenu n'est pas dans la direction de la source mais dans une direction différente, comme représenté pour les sources S2 et S3. En utilisant un système d'antennes multifaisceaux conforme à la présente invention, il est donc possible d'obtenir des faisceaux multiples dans des directions privilégiées de manière simultanée. Ce système peut donc facilement être intégré avec des dispositifs de type MIMO, chaque entrée du MIMO étant connectée à l'une des sources S1, S2 ou S3 ou à travers un dispositif de sélection de faisceaux. On décrira maintenant avec référence aux figures 5 à 7 une variante de réalisation de la présente invention. Dans ce mode de réalisation, sur un substrat 20 constitué, par exemple d'un substrat de type FR4 (sr=4.4, tant=0.02) multicouches à 3 couches conductrices, on a réalisé un réseau de 4 éléments rayonnants de type « patch ».. Les patchs 21a, 22a, 22b, 21b sont des patchs demi-onde imprimés sur le substrat et espacés les uns les autres d'une distance X0 /2 à la fréquence de 5.7GHz. Comme représenté sur la figure 5, les patchs sont reliés deux à deux (21a et 21b, 22a et 22b) par des lignes de transmission 21 et 22 de même longueur électrique. Les lignes de transmission sont constituées par des lignes réalisées en technologie micro ruban de largeur 2.69mm et d'épaisseur 1.4mm, dans le mode de réalisation représenté. Elles sont disposées sur deux faces du substrat pour éviter tout croisement, la ligne du dessous étant reliée aux éléments du réseau par des trous métallisés. Dans le mode de réalisation de la figure 5, les sources rayonnantes sont constituées par deux dipôles 23, 24 de longueur X0 /2 à la fréquence de 5.7GHz et de diamètre 1 mm. Les dipôles 23, 24 sont positionnés à une distance de 1.1 X0 du centre du réseau et à un angle de 60° par rapport à la normale qui passe par le centre du réseau. Des simulations du système d'antennes décrit ci-dessus ont été effectuées en utilisant le même outil que pour l'autre mode de réalisation décrit. Les figures 6A et 7A représentent le diagramme de rayonnement obtenu lorsque le dipôle 23 est utilisé tandis que les figures 6B et 7B représentent le diagramme de rayonnement obtenu lorsque le dipôle 24 est utilisé. On voit clairement sur ces différents diagrammes un dépointage du faisceau dans la direction de la source sélectionnée. Ainsi en associant un réseau d'éléments rayonnants de type Van Atta ou similaire dans le champ proche d'une ou plusieurs sources rayonnantes, il est possible de construire un système multi faisceaux pouvant être utilisé notamment dans un dispositif MIMO, et cela même si le comportement du réseau n'est pas parfaitement rétro directif. REVENDICATIONS1. Un système d'antennes multifaisceaux comportant un réseau de N éléments rayonnants (11 a, 11 b, 12a, 12b ; 21a, 21b, 22a, 22b), N étant un nombre entier pair, les éléments du réseau étant reliés deux à deux par des lignes de transmission (11, 12 ; 21, 22), caractérisé en ce qu'il comporte de plus M sources rayonnantes (SI, S2, S3 ; 23, 24), M étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, là où lesdites sources rayonnantes étant positionnées chacune à une distance Li du centre du réseau telle que la distance Li est strictement inférieure à la distance de champs dit lointain et i varie de 1 à M. 2. Un système d'antennes multifaisceaux selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments du réseau sont reliés deux à deux symétriquement par des lignes de transmission ayant une même longueur électrique et le nombre de sources rayonnantes est strictement supérieur à 1. 3. Un système d'antennes multifaisceaux selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système d'antennes multifaisceaux comporte une source rayonnante et la directivité des faisceaux est obtenue en intégrant dans au moins une des lignes de transmission, un circuit actif ou passif permettant de modifier le déphasage de la ligne. 4. Un système d'antennes multifaisceaux selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit actif est choisi parmi les coupleurs hybrides ou les filtres. 5. Un système d'antennes multifaisceaux selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit passif est un filtre passif. 6. Un système d'antennes multifaisceaux selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments rayonnants du réseau sont constitués par des éléments choisis parmi les monopoles, les patchs, les fentes, les cornets. 7. Un système d'antennes multifaisceaux selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sources rayonnantes sont aussi constituées par des sources choisies parmi les monopoles, les dipôles, les patchs, les fentes, les cornets.. 10 8. Un système d'antennes multifaisceaux selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lorsque le système présente plusieurs sources rayonnantes, une des sources rayonnantes est positionnée selon l'axe de symétrie du réseau d'éléments rayonnants, les 15 autres sources étant décalées d'un angle 8i avec i variant de 2 à M. 9. Un système d'antennes multifaisceaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, lorsque le système présente plusieurs sources rayonnantes, les sources sont symétriques par rapport à 20 l'axe central du réseau et sont décalées d'un angle 9i avec i variant de 2 à M.