Brevet FR2999337A1 — publié le 20140613

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un circuit de transition d'une ligne micro-ruban vers une ligne fente fonctionnant dans deux bandes de fréquences différentes. L'invention trouve son application dans le domaine des systèmes sans fil fonctionnant en même temps dans deux bandes de fréquences tel que les systèmes opérant selon le standard IEEE- 802.11a/b/g/n. Selon ce standard, un système sans fil peut fonctionner dans une bande de fréquence autour de 2.4GHz et dans une bande de fréquence autour de 5GHz. La présente invention concerne donc un circuit de transition d'une ligne micro-ruban vers une ligne fente fonctionnant dans deux bandes de fréquences, qui peut être utilisé, notamment, pour alimenter les antennes-fente réalisées dans les systèmes de radio communication sans fil. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE Les systèmes de communication sans fil intégrés dans une passerelle ou un décodeur sont de plus en plus multimode et multistandard. Ils peuvent notamment fonctionner dans au moins deux bandes de fréquences différentes. Ceci permet donc d'utiliser, de manière plus efficace, le spectre de fréquences disponible et de satisfaire les demandes croissantes en capacité et robustesse. Pour répondre à ces demandes, dans les systèmes sans fil basés sur le standard IEEE-802.11a/b/g, la solution habituelle est d'utiliser en même temps deux bandes radios, la première opérant dans la bande des 2.4GHz pour transmettre seulement les données et la seconde opérant dans la bande des 5GHz pour transmettre uniquement la vidéo. Pour permettre la coexistence de deux voies de transmission dans un seul dispositif, les deux bandes de fréquence doivent être isolées d'environ 40dB au niveau du circuit RF frontal comme cela est habituellement demandé. Les solutions les plus communes pour fournir l'isolation requise sont représentées par les solutions A B et C de la figure 1 : De manière schématique, la solution A consiste à utiliser deux antennes référencées Antenna #1 et Antenna #2 rayonnant dans une bande relativement étroite. Ces antennes peuvent être séparées physiquement sur la carte du dispositif afin de permettre une isolation maximale. Chaque antenne est connectée à un circuit de traitement spécifique au niveau des ports F1 et F2 à travers un filtre 1 ou 2. Les filtres 1 et 2 qui sont, dans le mode de réalisation représenté, respectivement un filtre passe bas pour le filtre 1 et un filtre passe haut pour le filtre 2, permettent d'améliorer l'isolation entre les deux antennes. Le principal inconvénient de cette solution est son encombrement, ce qui n'est pas acceptable pour les systèmes MIMO double bande qui nécessitent un nombre multiple d'antennes. La solution B représente une antenne large bande référencée A3 qui est reliée par une seule ligne de transmission à un duplexeur 3 utilisé pour séparer les deux bandes et les transmettre au circuit de traitement par l'intermédiaire des ports d'entrée/sortie F1 et F2. Cette solution est moins encombrante que la solution A. Toutefois le dessin de l'antenne large bande est plus difficile à réaliser et l'isolation de 40dB est obtenue par des filtres dont la réalisation est plus complexe que les filtres de la solution A. Dans la solution C, une antenne large bande A4 est aussi utilisée mais dans ce cas, l'antenne est connectée par deux lignes d'accès au duplexeur. Au niveau des deux bornes d'accès F1, F2, une isolation d'environ 15 à 20dB peut être obtenue, ce qui diminue les contraintes sur le filtrage. De manière connue, une antenne large bande peut être réalisée en utilisant une antenne fente telle que les antennes TSA pour « tapered slot antenna » en langue anglaise ou antenne Vivaldi. Comme représentée sur les figures 2 et 3, une antenne Vivaldi est réalisée sur un substrat S muni d'un plan de masse formé d'une couche métallique dans lequel est gravé une fente 10 dont les extrémités s'évasent vers un des bords du substrat. Cette fente 10 peut être alimentée par une ligne micro-ruban 11 réalisée sur le substrat à une distance prédéterminée du plan de masse. Cette ligne micro-ruban 11 s'étend à partir d'un port d'entrée/sortie P1 et croise la fente 10 sensiblement perpendiculairement à ladite fente comme représenté sur la figure 2. Dans ce cas, l'antenne Vivaldi est alimentée par couplage électromagnétique selon un circuit de transition ligne micro-ruban/ligne fente, connue sous la dénomination : transition de type Knorr. Pour réaliser la solution C décrite ci- dessus, on peut, comme représenté sur la figure 3, alimenter une antenne fente 10 de type Vivaldi par deux lignes micro-ruban 12, 13 croisant la ligne fente prolongeant l'antenne Vivaldi en deux zones de couplage différentes. Une antenne fente telle que représentée à la figure 3 a été décrite dans la demande de brevet publiée sous le n° WO 06/108567. Pour obtenir une bonne isolation entre les deux ports d'entrée/sortie P'1 et P'2 ainsi qu' une impédance ramenée au niveau des zones de couplage permettant un fonctionnement en dual bande de l'antenne Vivaldi, des dimensions spécifiques entre les lignes micro-ruban 12, 13 et la zone de couplage doivent être respectées comme décrit dans la demande ci-dessus mentionnée. Les solutions décrites ci-dessus présentent un certain nombre d'inconvénients. Ainsi la solution B qui consiste à cascader une transition ligne micro-ruban vers ligne fente de type conventionnel comme décrite avec référence à la figure 2, avec un duplexeur, entraine une augmentation des pertes d'insertion, à savoir les pertes d'insertion dues à la transition de type Knorr et les pertes d'insertion dues aux jonctions communes avec le duplexeur. En ce qui concerne la solution C, elle est complexe à réaliser puisqu'elle est basée sur l'utilisation de multiple lignes quart d'onde et demi-onde, ce qui entraine des limitations en terme de largeur de bande de fréquences et de distance entre les bandes. RESUME DE L'INVENTION Ainsi, la présente invention a notamment pour but de proposer un circuit de transition ligne micro-ruban/ligne fente fonctionnant dans deux bandes de fréquences qui permettent le fonctionnement d'une antenne large bande dans deux bandes de fréquence distinctes selon une structure simple limitant le plus possible les pertes d'insertion. Un autre but de l'invention est de proposer un circuit de transition ligne micro- ruban/ligne fente qui soit réalisable dans une technologie bas coût. Ainsi l'invention a pour objet un circuit de transition d'une ligne micro-ruban vers une ligne fente fonctionnant dans deux bandes de fréquences, ledit circuit comprenant : - un substrat muni d'un plan de masse, - une ligne micro-ruban réalisée sur le ledit substrat à une distance déterminée du plan de masse entre un premier et un second ports d'entrée/sortie, - une ligne fente réalisée dans le plan de masse croisant ladite ligne micro-ruban dans une zone dite zone de couplage du circuit de transition, - ladite ligne micro-ruban comportant une première portion de ligne micro-ruban pour transmettre un signal d'une première bande de fréquences entre le premier port d'entrée/sortie et la zone de couplage et une seconde portion de ligne micro-ruban pour transmettre un signal d'une seconde bande de fréquences entre le second port d'entrée/sortie et la zone de couplage, - ladite ligne fente comportant une première portion de ligne fente pour transmettre le dit signal entre la zone de couplage et un troisième port d'entrée/sortie et une seconde portion de ligne fente prolongeant la ligne fente au-delà de la zone de couplage, caractérisé en ce qu'un premier circuit de filtrage est connecté entre la première portion de ligne micro-ruban et le premier port d'entrée/sortie, ledit premier circuit de filtrage et ladite première portion de ligne micro-ruban étant adaptés pour passer les fréquences de la première bande de fréquences et rejeter les fréquences de la seconde bande de fréquences, et caractérisé en ce qu'un second circuit de filtrage est connecté entre la seconde portion de lige micro-ruban et le second port d'entrée/sortie, ledit second circuit de filtrage et ladite seconde portion de ligne micro-ruban étant adaptés pour passer des fréquences de la seconde bande de fréquences et rejeter les fréquences de la première bande de fréquences, la seconde portion de ligne fente ramenant une impédance sensiblement égale à l'impédance d'un circuit ouvert au niveau de la zone de couplage dans une bande de fréquences recouvrant la première et la seconde bandes de fréquences Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier circuit de filtrage et la première portion de ligne micro-ruban sont adaptés pour ramener sur la ligne micro-ruban au niveau de la zone de couplage, une impédance sensiblement égale à l'impédance ramenée par la seconde portion de ligne fente dans la première bande de fréquences et une impédance sensiblement égale à une impédance de court-circuit pour la seconde bande de fréquences et le second circuit de filtrage et la seconde portion de ligne micro-ruban sont adaptés pour ramener sur la ligne micro-ruban au niveau de la zone de couplage, une impédance sensiblement égale à l'impédance ramenée par la seconde portion de ligne fente dans la seconde bande de fréquences et une impédance sensiblement égale à une impédance de court-circuit pour la première bande de fréquences. De préférence, le premier circuit de filtrage est un filtre passe bas et le second circuit de filtrage est un filtre passe haut ou vice-versa. Selon un autre mode de réalisation les premier et second circuits de filtrage sont des filtres passe bandes ou des filtres coupe-bandes dont les fréquences de coupure correspondent respectivement à la première et la seconde bandes de fréquences. Les première et seconde bandes de fréquences correspondent respectivement à la bande de fréquences autour de 2.4GHz et à la bande de fréquences autour de 5GHz,. pour être utilisable dans des terminaux multistandard multimode adaptés au standard IEEE.802.11a/b/g/n. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description de divers mode de réalisation, faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : Figure 1 déjà décrite représente schématiquement trois solutions possibles pour une architecture d'antenne dans un terminal multimode multistandard. Figure 2 déjà décrite est une vue de dessus d'une antenne large bande de type Vivaldi alimentée par une transition ligne micro-ruban/ligne fente selon le principe de Knorr. Figure 3 est une vue de dessus d'une antenne fente de type Vivaldi présentant deux accès utilisant chacun une transition ligne micro-ruban / ligne fente selon le principe de Knorr. Figure 4 représente schématiquement une vue en plan et une vue en coupe d'une transition ligne micro ruban / ligne fente selon le principe de Knorr. Figure 5 est un graphique illustrant la réponse simulée en transmission S (2,1) du circuit de la figure 4. Figure 6 est une vue schématique d'un mode de réalisation du circuit de transition ligne micro-ruban / ligne fente conforme à la présente invention. Figure 7 est une vue schématique d'un filtre passe bas ainsi que des graphiques illustrant les réponses simulées en transmission et en réflexion dudit filtre et son abaque de Smith. Figure 8 est une vue schématique d'un filtre passe haut ainsi que des graphiques illustrant les réponses simulées en transmission et en réflexion du filtre et son abaque de Smith, et Figure 9 représente des graphiques illustrant les réponses simulées en transmission et en réflexion du circuit de la figure 6. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On décrira tout d'abord avec référence aux figure 4 et 5, un circuit de transition ligne micro-ruban/ligne fente classique de type Knorr. En se référant à la figure 4, le circuit de transition est réalisé sur un substrat S muni d'un plan de masse. Il comprend une ligne micro-ruban 20 et une ligne fente 21 gravée dans le plan de masse, la ligne micro ruban étant disposée à une distance prédéterminée du plan de masse, comme on peut le voir sur la vue en coupe de la figure 4. La ligne micro-ruban 20 se termine à une première extrémité 20a par un port d'entrée/sortie P1 et à une deuxième extrémité 20b par un circuit ouvert OC. La ligne fente 21 se termine à une première extrémité 21a par un court-circuit CC et à une deuxième extrémité 21b par un port d'entrée/sortie P2. Le port P1 est connecté à une chaine de transmission et le port P2 est connecté à une antenne à fente. Comme représenté sur la figure 4, la ligne micro-ruban 1 s'étend sensiblement perpendiculaire à la ligne fente 2 et les deux lignes se croisent dans une zone dite zone de couplage Z du circuit de transition. Ladite zone de couplage est donc constituée par la portion de ligne micro-ruban recouvrant la portion de ligne fente au niveau du croisement des deux lignes. De ce fait, le transfert d'énergie du port P1 vers le port P2 se fait par couplage électromagnétique desdites portions de ligne micro-ruban et de ligne fente se trouvant au niveau de la zone de couplage. Pour obtenir des conditions de couplage électromagnétiques optimales entre la ligne micro-ruban 20 et la ligne fente 21, la portion L2 de ligne micro-ruban entre la zone de couplage et l'extrémité 20b de la ligne micro ruban doit ramener un court-circuit au niveau de la zone de transition Z tandis que la portion L1 de ligne fente entre l'extrémité 21a et la zone de couplage doit ramener un circuit ouvert au niveau de la zone de transition Z. A cet effet, la longueur de la portion L2 doit être sensiblement égale à Àm/4 où Àrn est la longueur d'onde guidée dans la ligne micro-ruban associée à la fréquence de travail du circuit de transition tandis que la longueur de L1 doit être sensiblement égale à Àf/4 où Àf est la longueur d'onde guidée dans la ligne fente associée à la fréquence de travail du circuit de transition. Enfin, les portions de ligne entre les ports P1 ou P2 et les zones de transition ont pour fonction de ramener respectivement aux ports P1 et P2, une impédance proche de celle présente aux ports P1 et P2, à savoir généralement une impédance de 50 ohms pour le port P1 et de l'ordre de 80-100 ohms pour le port P2. Le circuit de transition tel que représenté sur la figure 4 a été simulé en utilisant comme substrat un substrat à base de matériaux FR4 présentant une épaisseur de 1.4mm. Ce type de transmission a été simulé pour fonctionner dans la bande WiFi des 5GHZ. Les résultats obtenus sur la figure 5 qui représente la réponse en transmission de la transition de la figure 4, montrent une bande passante très large, de l'ordre de 6GHZ. Sur la figure 6, on a représenté un schéma de principe d'un circuit de transition ligne micro-ruban / ligne fente double bande selon un mode de réalisation de la présente invention. Conformément à la présente invention, le circuit de transition ligne micro-ruban vers ligne fente fonctionnant dans deux bandes de fréquences comporte une ligne micro-ruban dont chaque extrémité est connectée au niveau du plan de transition à un circuit de filtrage chaque circuit de filtrage passant une bande de fréquences mais rejetant la bande de fréquences de l'autre filtre, tout en répondant aux conditions de couplage selon le principe de Knorr. Ainsi, comme représenté sur la figure 6, on a représenté une ligne micro-ruban 30 présentant une première extrémité 30b et une seconde extrémité 30a, cette ligne étant réalisée sur un substrat muni d'un plan de masse, comme dans le cas de la transition représentée à la figure 4 . La ligne micro-ruban se trouve à une distance déterminée d'une ligne fente 31 réalisée dans le plan de masse du substrat. La ligne fente 31 présente une extrémité 31a en court-circuit et une autre extrémité 31b reliée à un port d'entrée/sortie P30 pour alimenter une antenne fente telle qu'une Vivaldi non représentée. Le couplage entre la ligne micro-ruban 30 et la ligne fente 31 est réalisé au niveau d'une zone de couplage de la manière décrite avec référence à la figure 4. Comme représenté sur la figure 6, l'extrémité 30a de la ligne micro-ruban est reliée par l'intermédiaire d'un premier filtre 32 à un port d'entrée/sortie P10 tandis que l'autre extrémité 30b de la ligne micro-ruban 30 est reliée à travers un second filtre 33 à un second port d'entrée/sortie P20. Comme représenté sur la figure 6, le filtre 32 est un filtre présentant une réponse passe-bas tandis que le filtre 33 est un filtre présentant une réponse passe haut. Les deux filtres 32 et 33 forment en fait un duplexeur. D'autre part, l'extrémité 31a en court-circuit de la ligne fente se trouve à une distance L'1 de la zone de couplage entre la ligne fente et la ligne micro-ruban. Ainsi la structure représentée à la figure 6 forme un duplexeur dont la ligne de jonction alimente directement une antenne fente du type fente évasée ou antenne 113 Vivaldi à travers une transition ligne micro-ruban à ligne fente. Toutefois pour que cette transition réponde parfaitement aux conditions d'un couplage de type Knorr, afin d'obtenir des pertes d'insertion les plus faibles possibles lorsque les signaux sont transmis en même temps à partir d'un port vers un autre port, à savoir du port P10 vers le port P30 ou du port P20 vers le port 15 P30 on doit avoir les conditions suivantes : Le filtre 32 doit présenter au niveau de la jonction A un court-circuit dans la bande passante du filtre 33 De manière inverse, le filtre 33 doit présenter à la jonction B un court-circuit dans la bande passante du filtre 32. 20 Finalement, la ligne fente en court-circuit doit présenter un circuit ouvert au niveau de la jonction dans une bande de fréquence qui couvre les deux bandes de fréquences des filtres. Ceci est obtenu en ajustant la longueur L'1 de la ligne fente pour qu'elle soit 25 équivalente à la longueur Àf/4 à la fréquence centrale de toute la bande de fréquences. Différentes simulations ont été réalisées en utilisant le logiciel de simulation Agilent/ADS. Ainsi sur la figure 7, on a représenté un filtre passe bas, à savoir un filtre elliptique passe bas selon le modèle ADS, qui passe la bande de fréquences des 2.4GHz mais rejette la bande de fréquences à 5GHz de plus de 30 dB. Lors de la simulation, une ligne de transmission a été ajoutée et sa longueur ajustée afin d'obtenir le court-circuit requis dans la bande des 5GHz. Le résultat est donné sur l'abaque de Smith représenté dans la partie droite de la figure 7. Le diagramme du milieu représente en fonction de la fréquence, les courbes de transmission et de réflexion démontrant le fonctionnement en passe bas du filtre elliptique. Sur la figure 8, on a représenté un filtre elliptique passe haut selon le modèle ADS qui passe la bande de fréquences des 5GHz tandis qu'elle rejette la bande de fréquences des 2.4GHz d'au moins 30dB. Dans ce cas, comme précédemment, la réponse de l'abaque de Smith montre que le filtre est en court-circuit dans la bande des 2.4GHz et le diagramme du milieu donne en fonction de la fréquence, la courbe de transmission et la courbe de réflexion démontrant le fonctionnement du filtre passe haut. Des simulations ont été aussi réalisées sur le circuit de transition ligne micro-ruban vers ligne fente tel que représenté à la figure 7. Dans ce cas la longueur L1 de la ligne fente en court-circuit est de Àf/4 où Àf est la longueur d'onde à une fréquence d'environ 4.5GHz. L'impédance au niveau du port d'entrée/sortie P30 qui est le port d'alimentation de l'antenne fente est de 90 ohms tandis que les impédances au niveau des ports d'entrée/sortie P10 et P20 sont de 50 ohms. Sur la figure 9, on a représenté les réponses simulées de la transition ligne micro-ruban à ligne fente en considérant les deux chemins suivants, à savoir : le chemin allant du port d'entrée/sortie P10 vers le port d'entrée/sortie P30 et le chemin allant du port d'entrée/sortie P20 vers le port d'entrée/sortie P30. On remarque que les pertes d'insertion dans chacune des bandes passantes sont remarquablement faibles et que l'impédance au niveau de chaque port d'entrée correspond à l'impédance donnée avec des pertes de réflexion inférieures à moins 15dB dans les deux bandes Wifi, à savoir la bande des 2.4GHz et la bande des 5GHz. De plus chaque bande complémentaire présente une atténuation d'au moins 40dB. Selon une variante de réalisation, les filtres passe bas et passe haut peuvent être remplacés par des filtres passe bande ou coupe bande dont les 5 fréquences de coupure correspondent respectivement à la première et à la seconde bandes de fréquences. Ainsi le circuit de transition ligne micro-ruban vers ligne fente fonctionnant dans deux bandes de fréquence distinctes présente un certain nombre d'avantages. Ce circuit de transition est facile et simple à réaliser. Il est de 10 plus compact, la taille résultante dépendant principalement de la taille des filtres. Les contraintes dues aux caractéristiques des deux bandes de fréquences en terme de largeur de bande et d'isolation sont faibles. Les limitations proviennent principalement de la largeur de bande de transition de type Knorr. Les pertes d'insertion sont très faibles, dues à l'alimentation en 15 direct de l'antenne à partir du point de jonction commun du duplexeur. REVENDICATIONS1. Circuit de transition d'une ligne micro-ruban vers une ligne fente fonctionnant dans deux bandes de fréquences, ledit circuit comprenant : -un substrat (S) muni d'un plan de masse, -une ligne micro-ruban(20) réalisée sur ledit substrat à une distance déterminée du plan de masse entre un premier et un second ports d'entrée/sortie, (P10, P20) -une ligne fente (31) réalisée dans le plan de masse croisant ladite ligne micro-ruban dans une zone dite zone de couplage du circuit de transition, -ladite ligne micro-ruban comportant une première portion de ligne micro-ruban pour transmettre un signal d'une première bande de fréquences entre le premier port d'entrée/sortie et la zone de couplage et une seconde portion de ligne micro-ruban pour transmettre un signal d'une seconde bande de fréquences entre le second port d'entrée/sortie et la zone de couplage, -ladite ligne fente comportant une première portion de ligne fente pour transmettre ledit signal entre la zone de couplage et un troisième port d'entrée/sortie (P30) et une seconde portion de ligne fente prolongeant la ligne fente au-delà de la zone de couplage, Caractérisé en ce qu'un premier circuit de filtrage (32) est connecté entre la première portion de ligne micro-ruban et le premier port d'entrée/sortie (P10), ledit premier circuit de filtrage et ladite première portion de ligne micro-ruban étant adaptés pour passer les fréquences de la première bande de fréquences et rejeter les fréquences de la seconde bande de fréquences et en ce qu'un second circuit de filtrage (33) est connecté entre la seconde portion de ligne micro-ruban et le second port d'entrée/sortie(P20), ledit second circuit de filtrage et ladite seconde portion de ligne micro-ruban étant adaptés pour passer les fréquences de la seconde bande defréquences et rejeter les fréquences de la première bande de fréquences, -la seconde portion de ligne fente ramenant une impédance sensiblement égale à l'impédance d'un circuit ouvert au niveau de la zone de couplage dans une bande de fréquences recouvrant la première et la seconde bandes de fréquences. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier circuit de filtrage et la première portion de ligne micro-ruban sont adaptés pour ramener sur la ligne micro-ruban au niveau de la zone de couplage, une impédance sensiblement égale à l'impédance ramenée par la seconde portion de ligne fente pour la première bande de fréquences et une impédance sensiblement égale à une impédance de court-circuit pour la seconde bande de fréquences. 3. Circuit selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le second circuit de filtrage et la seconde portion de ligne micro-ruban sont adaptés pour ramener sur la ligne micro-ruban au niveau de la zone de couplage, une impédance sensiblement égale à l'impédance ramenée par la seconde portion de ligne fente pour la seconde bande de fréquences et une impédance sensiblement égale à une impédance de court-circuit pour la première bande de fréquences. 4. Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier circuit de filtrage (32) est un filtre passe bas et le second circuit de filtrage (33) est un filtre passe haut. 5. Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier circuit de filtrage est un filtre passe haut et le second circuit de filtrage est une filtre passe bas. 6. Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premier et second circuits de filtrage sont des filtres passe bande ou des filtres coupe bande dont les fréquences de coupure correspondent respectivement à la première et à la seconde bandes de fréquences. 7. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde bandes de fréquences correspondent respectivement à la bande de fréquence autour de 2.4 GHz et à la bande de fréquences autour de 5G Hz. 10