Brevet FR2968847A1 — publié le 20120615

La présente invention concerne un système d'antennes multifaisceaux compact, 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. Ainsi, 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, on a proposé, dans la demande de brevet français déposée le même jour que la présente et intitulée « Système d'antennes multifaisceaux », d'utiliser le principe d'un réseau d'éléments rayonnants de type Van-Atta, associé à des sources se trouvant dans la zone de champ proche du réseau, 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. Dans cette demande, le système d'antennes multifaisceaux comporte 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. Le système 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 du réseau telle que la distance Li est strictement inférieure à la distance de champs dit lointain. La présente demande concerne un perfectionnement à ce type de réseau permettant d'obtenir une meilleure directivité des faisceaux de rayonnement et de réaliser, de ce fait, un système d'antennes multifaisceaux super directif. Ainsi, la présente invention a pour objet un système d'antennes multifaisceaux comportant M sources rayonnantes et P réseaux de N éléments rayonnants, P étant supérieur à 1 et N étant un nombre entier pair, les éléments du réseau étant reliés deux à deux par des lignes de transmission de même longueur électrique, caractérisé en ce que les P réseaux sont colocalisés au centre de chaque réseau et en ce que les M sources rayonnantes sont positionnées chacune à une distance Li dudit centre, la distance Li étant strictement inférieure à la distance de champ 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 - October 2004 intitulé « On radiating zone band erase of short, X/2 and Xdipole » de S. Laybros et P. F. Combes. Ainsi, lorsque la source présente une dimension faible vis-à-vis de la longueur d'onde, la distance Li entre une source et le centre colocalisé des réseaux, est inférieure à 1.6X où est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. Selon un mode de réalisation préférentiel, la distance Li entre une source et le centre colocalisé des réseaux est identique entre les M sources s et comprise entre 0.3 et 0.5X. Selon une autre caractéristique de la présente invention, les M sources sont disposées symétriquement par rapport au centre colocalisé des P réseaux. De préférence, chaque réseau de N éléments rayonnants Zo comporte, au niveau des lignes de transmission, des moyens de déphasage permettant de contrôler les diagrammes de rayonnement dudit réseau. Selon un mode de réalisation préférentiel, les moyens de déphasage sont constitués par des tronçons de ligne de transmission. D'autre part, selon une autre caractéristique de la présente 15 invention, la distance entre deux éléments rayonnants d'un réseau est un multiple de X/4 où est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. Selon une caractéristique différente permettant d'obtenir un système d'antennes super-directif, la distance entre deux éléments rayonnants est inférieure à X/4 où est la longueur d'onde à la fréquence de 20 fonctionnement. Selon différents modes de réalisation, les éléments rayonnants sont choisis par les monopoles, les patchs, les fentes, les cornets ou similaires. De même, les sources sont choisies parmi les monopoles, les patchs, les fentes, les cornets ou similaires. 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 2 est une vue en plan de dessus schématique, d'un premier mode de réalisation d'un système d'antennes multifaisceaux conforme à la présente invention. La figure 3 représente le diagramme de rayonnement du système d'antennes multifaisceaux de la figure 2 lorsque le faisceau est alimenté par la source S1. La figure 4 est une vue schématique d'un second mode de réalisation de la présente invention. La figure 5 représente les diagrammes de rayonnement du mode de réalisation de la figure 4 lorsque les réseaux sont éclairés par les différentes sources du système. La figure 6 est une vue schématique d'un troisième mode de réalisation de la présente invention. La figure 7 est une vue frontale du système de la figure 6 représentant un mode de réalisation des éléments utilisés pour les sources ou pour les éléments rayonnants. La figure 8 représente les diagrammes de rayonnement du système d'antennes multifaisceaux de la figure 6 pour différentes fréquences de fonctionnement lorsque le réseau est éclairé par la source S1. On décrira tout d'abord, avec référence aux figures 2 et 3, un premier mode de réalisation d'un système d'antennes multifaisceaux compact conforme à la présente invention. Sur un substrat 10 de grande dimension muni d'un plan de masse, on a donc réalisé un système antennaire comportant deux réseaux de monopole de type Van Atta et plusieurs sources positionnées symétriquement autour des réseaux. Les monopoles sont positionnés dans le champ proche des sources, comme cela sera expliqué de manière plus détaillée ci-après. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le substrat 10 est un substrat carré présentant un plan de masse de dimension 250 x 250 mm. Il est réalisé, de préférence, à l'aide d'un substrat classique multicouches de type FR4 (Er = 4.4 et tan(delta) = 0.02). Le substrat présente une épaisseur de 1.4 mm. Comme représenté sur la figure 2, sur le substrat 10 ont été réalisés deux réseaux de type rétrodirectif constitués chacun de quatre monopoles quart d'onde espacés d'une distance d qui, dans le mode de réalisation représenté, est choisie pour être égale à 0.2 X0 avec X0 la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement (dans l'air, X=XO) Dans la présente invention, par rétrodirectif, on entendra un réseau dont les éléments renvoient de l'énergie dans la direction d'arrivée d'une onde qui n'est pas forcément plane. De manière plus détaillée, le premier réseau 11 comporte donc quatre monopoles quart d'onde 11 a, 11 b, 11 c, 11 d, les monopoles étant reliés deux par deux par l'intermédiaire de lignes d'alimentation 11' et 11" réalisées en technologie micro-ruban. Ainsi, les monopoles 11 a et 11 d sont reliés par la ligne Il" et les monopoles 11 b et 11 c par la ligne 11 '.D'autre part, les lignes d'alimentation 11' et 11" présentent une même longueur électrique formant, de ce fait, un réseau rétrodirectif tel qu'expliqué ci-dessus. D'autre part, comme représenté sur la figure 2, le réseau 11 de quatre monopoles présente des moyens de déphasage permettant, comme expliqué ci-après, de modifier l'orientation du diagramme de rayonnement. Ces moyens de déphasage sont constitués par des tronçons de ligne référencés « I » sur les lignes d'alimentation 11, et Il". Sur le substrat 10 est aussi représenté un second réseau rétrodirectif 12 constitué lui aussi de quatre monopoles 12a, 12b, 12c, 12d quart d'onde espacés les uns des autres d'une distance identique, à savoir d = 0.2 X0, dans le mode de réalisation représenté. Comme pour le premier réseau, les monopoles sont reliés deux à deux, à savoir les monopoles 12a et 12d et les monopoles 12b et 12c, par des lignes de transmission 12' et 12" de même longueur électrique. Le réseau 12 comporte aussi des moyens de déphasage formés de tronçons de ligne microruban « I' ». Comme représenté sur la figure 2, les deux réseaux sont parfaitement symétriques et sont colocalisés au point O. Il est évident pour l'homme de l'art que des réseaux présentant des distances entre monopoles différentes peuvent aussi être utilisés, de même que des réseaux ayant chacun un nombre d'éléments rayonnants différents, la seule condition étant que le nombre d'éléments rayonnants soit un nombre pair et que le réseau fonctionne de manière rétrodirective. Comme représenté sur la figure 2, les réseaux 11 et 12 sont alimentés par quatre sources S1, S2, S3 et S4 constituées de monopoles quart d'onde. Les sources sont disposées de façon symétrique par rapport aux deux réseaux 11 et 12 et se trouvent à une même distance L par rapport au centre O. La distance L entre l'une des sources et le centre O de colocalisation des deux réseaux est choisie pour que les monopoles des réseaux se trouvent dans le champ proche des sources, à savoir est choisie pour être inférieure à 1.6X lorsque la source est de petite dimension. Le mode de réalisation représenté à la figure 2, a été simulé en utilisant le logiciel électromagnétique 3D HFSS de la société Ansys basé sur la méthode des éléments finis. Comme mentionné ci-dessus les sources sont constituées par des monopoles de dimension X/4. Les deux réseaux comportent des éléments rayonnants formés par des monopoles de hauteur X/4. Les lignes d'alimentation sont des lignes micro-ruban présentant une largeur de 3.57 lm pour obtenir une impédance caractéristique de 50 Ohms sur une épaisseur de 0.2 mm et le substrat est du FR4. La dimension choisie pour la valeur L est telle que L = 0.5X0. Les simulations montrent qu'avec un système tel que représenté à la figure 2, en optimisant les moyens de déphasage « I », « l' » sur les lignes d'alimentation, on obtient pour la source S1 un diagramme de rayonnement tel que représenté à la figure 3. Ce diagramme de rayonnement qui résulte de la contribution de la source S1 et des deux réseaux rétrodirectifs, présente une forte directivité en direction de la source S1. Les réseaux représentés sur la figure 2 étant symétriques, on obtient des résultats similaires pour les diagrammes de rayonnement en direction des sources S2, S3, S4. Les diagrammes de rayonnement obtenus étant symétriques vis-à-vis de la direction visée, cela permet une meilleure décorrélation des signaux au niveau des accès antenne. D'autre part avec la symétrie géométrique de la topologie source/réseau représentée sur les figures 2 et 3, on peut viser quatre directions différentes simultanément avec des diagrammes similaires et symétriques, ce qui permet une application intéressante dans des systèmes tels que les systèmes MIMOs. On décrira maintenant avec référence aux figures 4 et 5, un second mode de réalisation de la présente invention. Sur la figure 4, on a représenté un système d'antennes comportant trois réseaux rétrodirectifs 21, 22, 23. Dans ce mode de réalisation, les trois réseaux 21, 22, 23 sont des réseaux de même structure qui sont colocalisés au centre 0. De manière plus précise, chaque réseau 21, 22 ou 23 comporte quatre éléments rayonnants, à savoir quatre monopoles quart d'onde 21a, 21b, 21c, 21d ; 22a, 22b, 22c, 22d et 23a, 23b, 23c et 23d. Dans ce cas, les éléments rayonnants constitués par des monopoles de dimension X/4 sont reliés deux à deux par des lignes d'alimentation 21', 21" ; 22', 22" et 23', 23" constituant des lignes électriques de même longueur. Pour chaque réseau, la connexion entre les monopoles est effectuée comme dans le premier mode de réalisation et les lignes d'alimentation 21', 21" ; 22', 22" et 23', 23" présentent une même longueur d'un réseau à l'autre. D'autre part, comme représenté sur la figure 4, les trois réseaux directifs colocalisés sont alimentés par six sources d'alimentation S'1, S'2, S'3, S'4, S'5, S'6 constituées par des monopoles quart d'onde distribués de manière symétrique sur le pourtour des trois réseaux. De manière plus précise, la distance d entre deux monopoles d'un réseau rétrodirectif est de 0.2X0, tandisque les sources S'1, S'2, S'3, S'4, S'5, S'6 sont à une distance L = 0.4X0 du centre O. Ainsi, l'écart angulaire entre deux sources est de 60° et l'écart angulaire entre deux réseaux est aussi de 60°. Les trois réseaux ont été réalisés de manière classique sur un substrat bas coût FR4 et les deux couches externes du substrat multicouches ont été utilisées pour réaliser les lignes d'alimentation qui, comme représenté sur la figure 4, sont chacune constituées de deux tronçons réalisés sur deux plans de métallisation différents et reliés par un tronçon métallique. De manière à éviter les croisements. Le système d'antennes de la figure 4 a été simulé en utilisant le même logiciel que pour le système d'antennes de la figure 2 et les diagrammes de rayonnement obtenus pour les différentes sources ont été représentés sur la figure 5. Le diagramme de rayonnement de chaque source résulte en fait de la contribution de la source elle-même et de la réponse des trois réseaux rétrodirectifs. Les résultats obtenus sur la figure 5 montrent que les différents diagrammes obtenus présentent une directivité principale en direction de la source. Les lobes secondaires obtenus peuvent être diminués et même annulés en utilisant des moyens de déphasage, à savoir des tronçons de ligne supplémentaires optimisés dans les lignes d'alimentation, comme montré dans le mode de réalisation de la figure 6. Le système d'antennes multifaisceaux de la figure 4 est un système extrêmement compact puisqu'il présente un diamètre de 0.8X0 à 5.5 GHz. Il permet d'obtenir simultanément plusieurs faisceaux directifs. On décrira maintenant avec référence aux figures 6 à 8 un troisième mode de réalisation de la présente invention, permettant d'obtenir un système d'antennes multifaisceaux plus compact et présentant une directivité améliorée. Dans le cas du mode de réalisation de la figure 6, on utilise deux réseaux rétrodirectifs 40 et 50 colocalisés. Le premier réseau comporte des monopoles quart d'onde 40a, 40b, 40c, 40d reliés deux à deux, comme dans les modes de réalisation précédents, par des lignes d'alimentation 40' ou 40" réalisées en technologie microruban et présentant des longueurs électriques identiques. De même, le second réseau 50 est constitué par des monopoles quart d'onde 50a, 50b, 50c, 50d reliés deux à deux par des lignes d'alimentation 50' et 50 " en technologie microruban et présentant des longueurs électriques identiques. Les deux réseaux sont perpendiculaires l'un à l'autre, dans le mode de réalisation représenté. Ils sont éclairés par quatre sources SO1, SO2, SO3, SO4 disposées symétriquement par rapport aux deux réseaux. Conformément au mode de réalisation de la figure 6, les monopoles des réseaux sont positionnés à une distance d = 0.11X0 l'un de l'autre et les sources SO1, SO2, SO3, SO4 se trouvent à une distance L = 0.36X0 du centre 0 de colocalisation des deux réseaux. Comme représenté sur la figure 7, pour optimiser le couplage entre les monopoles source, à savoir SO3 et SO4 par exemple, et les monopoles réseau, à savoir les monopoles 50b, 40d, 50c tels que représentés sur la figure 7, les monopoles présentent une section polygonale, à avoir une section hexagonale dans le mode de réalisation représenté. Les monopoles présentent d'autre part une hauteur h1 = 0.208X0 et un diamètre c = 0.0055X0. Il est évident pour l'homme de l'art que d'autres profils peuvent être envisagés pour optimiser le couplage entre les différents éléments. Un système d'antennes multifaisceaux tel que représenté à la figure 6 a été simulé en utilisant le logiciel déjà mentionné ci-dessus. Les résultats de la simulation pour un éclairement à la source SO1 à différentes fréquences de fonctionnement, sont représentés à la figure 8. Sur la figure 8, on voit qu'entre 5.4 et 5.8 GHz, les diagrammes de rayonnement présentent une directivité dans la direction de la source sélectionnée, à savoir SO1 dans le mode de réalisation ce qui permet la réalisation d'un système d'antennes multifaisceaux super directif. Il est évident pour l'homme de l'art que les modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être modifiés sans sortir du cadre de la présente invention. En particulier les éléments rayonnants constituant des réseaux peuvent être choisis parmi les monopoles, les patchs, les fentes ou les cornets. De même, les sources peuvent être aussi choisies parmi les monopoles, les patchs, les fentes ou les cornets. Ces éléments doivent présenter un rayonnement omnidirectionnel dans la direction azimutale. D'autre part, les réseaux ont été représentés avec quatre éléments rayonnants. Le nombre d'éléments peut être différent mais doit être pair. Les sources peuvent être à une même distance ou à des distances différentes du centre de colocalisation. Les moyens de déphasage utilisés peuvent être des éléments actifs ou passifs. A savoir en complément ou en substitution des 2968847 n tronçons de ligne, on peut intégrer des filtres ou autres éléments qui seront choisis de manière à optimiser le diagramme de rayonnement. REVENDICATIONS1 - Système d'antennes multifaisceaux comportant M sources rayonnantes (Si, S2, S3, S4 ; SO1, SO2, SO3, SO4) et P réseaux (11, 12 ; 21, 22, 23 ; 40, 50) de N éléments rayonnants (11 a, 11 b, 11 c, 11 d, 12a, 12b, 12c, 12d ; 21a, 21b, 21c, 21d, 22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d ; 50a, 50b, 50c, 50d ; 40a, 40b, 40c, 40d), P étant supérieur à 1 et N étant un nombre entier pair, les éléments du réseau étant reliés deux à deux par des lignes de transmission de même longueur électrique, caractérisé en ce que les P réseaux sont colocalisés au centre (0) de chaque réseau et en ce que les M sources rayonnantes sont positionnées chacune à une distance Li dudit centre, la distance Li étant strictement inférieure à la distance de champs dit lointain et i variante de 1 à M. 2 - Système d'antennes multifaisceaux selon la revendication 1, caractérisé en ce que les M sources (S1, S2, S3, S4 ; SO1, SO2, SO3, SO4) sont disposées symétriquement par rapport au centre colocalisé des P réseaux. 3 - Système d'antennes multifaisceaux selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque réseau de N éléments rayonnants comporte au niveau des lignes de transmission des moyens de déphasage, passifs ou actifs, permettant de contrôler les diagrammes de rayonnement dudit réseau. 25 4 - Système d'antennes multifaisceaux selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de déphasage sont constitués par des tronçons de ligne de transmission. 30 5 - Système d'antennes multifaisceaux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance Li entre20une source et le centre colocalisé des réseaux est inférieure à 1.6X où est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. 6 - Système d'antennes multifaisceaux selon la revendication 5, caractérisé en ce que la distance Li entre la source et le centre colocalisé des réseaux est identique pour les M sources et est comprise entre 0.32^, et 0.5X. 7 - Système d'antennes multifaisceaux selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la distance entre deux éléments rayonnants d'un réseau est un multiple de 1/4 où X est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. 8 - Système d'antennes multifaisceaux selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la distance entre les deux éléments rayonnants est inférieure à X/4 où est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. 9 - Système d'antennes multifaisceaux selon l'une des 20 revendications précédentes, caractérisé en ce que les sources sont choisies parmi les monopoles, les patchs, les fentes, les cornets. 10 - Système d'antennes multifaisceaux selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments rayonnants 25 sont choisis parmi les monopoles, les patchs, les fentes, les cornets.