Brevet FR3034268A1 — publié le 20160930

EMETTEUR-RECEPTEUR EHF MULTICOUCHES A EMPREINTE ADAPTEE POUR COMMUNICATION A TRES HAUTE CAPACITE L'invention concerne un émetteur et/ou récepteur millimétrique 5 (EHF) compact et performant pour un système de communication Point à Multipoint ou « PmP » permettant de réaliser une couverture au sol ou « empreinte » optimisée en fonction de la distribution des clients du système. Elle trouve ses applications dans le domaine des communications très haut débit point à multipoint pour le point d'accès « backhaul » des stations de 10 radio mobile ou des stations du standard WiMAX ou de bornes « Hotspot » WiFi ou encore des entreprises ou des immeubles. Les systèmes PmP sont constitués d'une station centrale distribuant des flux d'informations vers des terminaux connectés aux stations de base de radio mobile, aux bornes « hot spot », immeubles, entreprises, 15 etc. La station centrale distribue ces flux bidirectionnels à ses clients par secteur de trois à six, par exemple. Dans un secteur donné, le flux d'information est envoyé à tous les abonnés qui s'y trouvent et ce flux couvre tout le secteur. Il s'ensuit que le spectre est mal utilisé, que l'énergie envoyée aux clients n'est pas optimisée et donc que la capacité et la portée du 20 système sont limitées. En effet, la surface couverte par le rayonnement de l'antenne étant large, le gain de l'antenne est plus faible, ce qui est défavorable pour le bilan de liaison. Ceci limite en portée l'utilisation de modulations d'ordre élevé (16QAM et plus) en bord de cellule et se traduit par une chute de la capacité du système de télécommunications. De plus, 25 l'ouverture rayonnante de l'antenne étant large, il faut changer de fréquence d'un secteur à l'autre pour éviter les interférences aux recoupements des secteurs. Afin d'augmenter leur capacité ces systèmes utilisent généralement des ondes porteuses millimétriques (EHF) car les bandes 30 passantes en fréquence disponibles sont plus larges. Mais les pertes de la propagation sont plus élevées et sont très sensibles aux conditions 3034268 2 atmosphériques notamment en présence de pluie, ce qui va limiter la couverture pour une capacité de système donnée ou symétriquement la capacité du système pour une zone de couverture fixée. Or, même si le spectre large en EHF permet d'obtenir des capacités très supérieures à celles des autres bandes du spectre, la demande en débit ne cesse de croître comme le besoin de couverture. La croissance de la capacité dépend donc de la bonne réutilisation de ce spectre, notamment d'un secteur à l'autre, et la portée dépend du gain du système rayonnant. On pourrait augmenter le nombre de secteurs avec des antennes plus directives, mais l'inconvénient serait d'accroître notablement les prix et notamment la location des sites sur les pylônes ou immeubles qui constitue le poste principal du coût d'opération (OPEX). D'autre part, en augmentant le nombre de secteurs, la place manquerait pour installer les nombreuses antennes sur les immeubles et sur les petits pylônes. En résumé, on doit augmenter la portée et la capacité de la tête de réseau sans augmenter le nombre et la taille des équipements. Afin de mieux comprendre le problème pour améliorer à bon compte les systèmes PmP millimétriques, on définit tout d'abord ce que doit être l'empreinte radioélectrique au sol par rapport à l'empreinte actuelle. L'empreinte actuelle est représentée sur les figures 1A et 1B pour une tête de réseau à quatre secteurs, 11, 12, 13, 14. Une tête de réseau 15 éclaire le sol 16 par un lobe. On utilise deux sous-gammes de fréquence F1 et F2 alternées pour ces quatre secteurs, les quatre lobes correspondants sont réalisés par quatre Emetteurs/Récepteurs associés chacun à une antenne sectorielle de 90°. La largeur du spectre de ces sous-gammes est proportionnelle à la capacité à délivrer un ou plusieurs flux d'informations dans chaque secteur. Tous les terminaux dans chaque secteur reçoivent l'énergie du spectre F1 ou celle du spectre F2. On est donc limité en capacité par l'usage du spectre, et en portée par le faible gain des antennes sectorielles. 3034268 3 L'un des objectifs de l'invention est de vérifier une ou plusieurs des cinq propriétés suivantes dans un secteur donné : une couverture géométrique adaptée à la demande des clients, une réduction des lobes diffus de rayonnement pour éviter que la couverture déborde sur un secteur 5 voisin, une capacité adaptée aux besoins des clients dans chacune des couvertures réalisées dans le secteur, une augmentation notable de la portée et une réalisation à compacité égale à celle de l'art antérieur. Le produit selon l'invention est un émetteur et/ou récepteur EHF qui distribue, dans un secteur donné, au moins deux groupes ou multiplex de 10 canaux de télécommunications de très haute capacité, ces deux groupes de canaux sont distribués dans au moins deux zones correspondant à la répartition de deux groupes de clients visés, ces deux groupes de clients se voyant distribuer une capacité correspondant à leur besoin; le bilan de liaison, la réutilisation du spectre dans le secteur voisin et l'usage de la 15 polarisation croisée sont améliorés respectivement et concomitamment d'un facteur d'au moins deux par rapport à l'état de l'art tout en conservant le même volume spatial ou encombrement. Le terme « produit » dans la description désigne notamment l'émetteur et/ou récepteur avec ses antennes selon l'invention. 20 Les termes SHF et EHF désignent des gammes de fréquence selon l'IUT, avec SHF : spécialement haute fréquence correspondant aux ondes centimétriques, EHF : extrêmement haute fréquence correspondant aux ondes millimétriques. L'invention concerne un dispositif émetteur et/ou récepteur 25 millimétrique (EHF) compact et performant en multicouches d'un système de communication permettant de réaliser une couverture au sol ou « empreinte » optimisée en fonction de la topographie des clients par la distribution d'au moins deux flux très haut débit et permettant la réutilisation des fréquences dans les secteurs voisins, l'usage de la polarisation croisée, 30 le doublement de la portée caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux blocs multicouches empilés et connectés en EHF : 3034268 4 - un premier bloc multicouches dit « actif » adapté à assurer des fonctions de transposition et d'amplification ainsi que la distribution d'au moins deux flux en entrée/sortie en fréquence intermédiaires f'1 et f'2 en SHF, vers au moins deux entrées ou sorties «T1» et «T2» en 5 EHF couplées à un second bloc multicouches rayonnant réalisant au moins deux directions de rayonnement ou lobes dont l'orientation est assurée par ledit premier bloc multicouches actif, - le second bloc « rayonnant » est superposé au premier bloc « actif » par les entrées-sorties et adapté à réaliser plusieurs directions ou 10 lobes F'1 et F'2 en EHF distribuant ainsi dans l'espace libre au moins deux flux en entrée/sortie indépendants à au moins deux groupes de clients, la structure du second bloc étant définie afin d'obtenir l'empreinte en gisement désirée, un gain, un rendement, un découplage de la polarisation croisée, un niveau de lobes secondaires 15 définis par un utilisateur. Selon un mode de réalisation, le premier bloc multicouches actif comporte: - au moins deux entrées sorties sur les fréquences intermédiaires transportant les flux différents destinés à un ou plusieurs groupes 20 d'utilisateurs, les flux étant introduits dans un coupleur hybride 90°, dont les sorties sont dirigées vers au moins deux déphaseurs numériques, bande C recevant chacun une commande, afin de positionner les lobes du bloc multicouches rayonnant et couvrir les surfaces désirées où se situent lesdits utilisateurs, 25 - les sorties de chacun de ces déphaseurs étant ensuite filtrées par au moins un filtre de bande afin de limiter en émission comme en réception des phénomènes d'intermodulation générés par les transpositions dans les émetteurs ou récepteurs, chaque signal après filtrage étant introduit sur un composant adapté à transposer, amplifier 30 le signal, les entrées ou sorties de ces composants MMIC étant dirigées sur des transitions «T1» et «T2» micro-ruban vers guides, 3034268 5 lesdits guides EHF assurant la connexion aux éléments rayonnants du bloc multicouches « rayonnant », les composants MMIC recevant un oscillateur local en SHF. Le second bloc multicouches « rayonnant » comporte, par 5 exemple, au moins les éléments suivants : - une première plaque métallique supportant l'ensemble et assurant la connexion des transitions «T1» et «T2» du bloc multicouches actif au moyen d'au moins deux connecteurs, - une couche diélectrique transparent aux ondes assurant le maintien 10 en place, - une couche métallique conductrice réalisant les lignes d'alimentation des éléments rayonnants, - une couche diélectrique substrat des lignes d'alimentation permettant de réaliser un circuit micro-ruban, 15 - une couche constituée d'une colle diélectrique, - une couche constituée d'une feuille métallique percée de deux rangées de fentes gravées, - une couche constituant le diélectrique substrat de l'ensemble de fentes gravées, 20 - une couche métallique comprenant des réseaux de patchs, l'ensemble fente-diélectrique-patch constituant l'élément rayonnant alimenté par les lignes de la couche lesquelles étant reliées aux connecteurs. Selon un mode de réalisation, l'empreinte au sol en gisement est constituée d'au moins deux lobes dont la position en gisement et la largeur 25 sont adaptables en position (gisement) par le multicouches actif et en largeur par le multicouches rayonnant et focalisateur. Le premier bloc actif est, par exemple, réalisé en SHF, spécialement haute fréquence correspondant aux ondes centimétriques. D'autres caractéristiques et avantages du système et du procédé 30 selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui 3034268 6 suit donnée à titre illustratif et nullement limitatif annexée des figures qui représentent : - La figure 1A est un exemple d'empreinte selon l'art antérieur, réalisé par un émetteur ou un récepteur et une antenne colonne ou rangée de 5 patchs ou encore par un cornet réalisant un secteur standard de 90°, et la figure 1B schématise le diagramme en site pour la couverture en distance, - La figure 2A est l'empreinte obtenue par un diagramme de rayonnement comportant au moins deux lobes en gisement et de 10 largeur (ouverture) adaptable distribuant des flux d'information différents, et la figure 2B présente le diagramme en site avec une antenne cosécantée rendant la couverture en distance plus homogène, - La figure 3 représente le schéma général du produit final avec deux 15 entrées ou sorties en fréquence intermédiaire en SHF, F'1 et F'2, ses lobes de rayonnement d'antenne en EHF dans le plan du gisement et sa constitution en deux blocs multicouches l'un actif et l'autre rayonnant, - La figure 4, le schéma type pour la réalisation de la partie active 20 (émission ou réception) et la formation d'au moins deux lobes adaptables, - Les figures 5A et 5B, les principes des éléments rayonnants de base et améliorés, - La figure 6 présente l'arrangement multicouches de la partie 25 rayonnante, et - La figure 7, plusieurs exemples de diagrammes possibles du focalisateur selon les paramètres choisis, - Les figures 8A, 8B et 8C, une illustration des colonnes patchs et des lignes d'alimentation. 30 L'invention repose notamment sur l'idée suivante: au lieu d'une couverture quasi uniforme et d'une distribution globale on va, dans chaque 3034268 7 secteur donné, distribuer de la capacité répartie, différentiée et adaptable à des zones prédéfinies dans un secteur donné. Le diagramme de rayonnement de l'antenne associé à un émetteur et/ou récepteur doit disposer d'au moins deux lobes de rayonnement et de faibles lobes 5 secondaires. De plus, l'antenne doit avoir un bon rendement de rayonnement et un bon découplage de polarisation croisée. Cette couverture ou empreinte fournie par le rayonnement de l'antenne doit se faire à taille réduite et équivalente aux équipements existants, antérieurs, (carré de 10cm de côté, par exemple) car le coût de location sur les pylônes et immeubles constitue 10 le poste principal des coûts d'opération (OPEX). L'empreinte type à réaliser est représentée aux figures 2A et 2B. Elle se compose d'au moins deux lobes L1, L2, utilisant des sous-gammes de fréquences F'1 et F'2 à l'intérieur même de chaque secteur 20, 21, 22, 23. Ces lobes L1, L2 sont positionnés vers au moins deux groupes de clients R1, 15 R2 qui recevront chacun une capacité différente et diversifiée correspondant à leurs besoins définis par les largeurs des sous-bandes F'1 et F'2. Le diagramme de rayonnement devra comporter des lobes diffus limités pour ne pas « baver » dans les secteurs voisins (réutilisation du spectre) ainsi qu'une polarisation croisée minimale pour pouvoir doubler la capacité en 20 transportant des informations différentes sur l'autre polarisation de l'onde millimétrique. La structure de l'émetteur et/ou récepteur 25 selon l'invention permet notamment d'obtenir un tel résultat. On a alors deux groupes d'au moins un canal de communication utilisant la même sous-bande de fréquence. 25 Afin de tenir compte de la contrainte d'encombrement limitant les coûts, une solution de même compacité que celle de l'art antérieur nécessite une architecture et un assemblage technologique original qui assurent les propriétés énoncées ci-dessus tout en réduisant les coûts. Ceci implique notamment, par rapport à l'art antérieur, de concevoir des éléments 30 rayonnants autrement qu'avec de simples plaques plus connues sous le nom anglo-saxon « patchs » (pour assurer la compacité) comme par exemple sur 3034268 8 la figure 5A. En effet, plusieurs rangées ou colonnes de patchs, ne peuvent être rapprochées en deçà de 0.7*À (avec À la longueur d'onde du rayonnement) en raison de leurs lignes d'alimentation ce qui va créer des lobes diffus. D'autre part, les colonnes de patchs fournissent un découplage 5 de polarisation d'au mieux 12dB (dans la direction perpendiculaire aux axes S et G figure 3) ce qui rend difficile la séparation des canaux de communications sur les deux polarisations croisées au-delà de l'ordre de modulation QPSK. L'information fournie ou reçue par l'émetteur et/ou récepteur selon 10 l'invention est constituée de deux flux d'informations issus d'au moins deux modems large bande (401, 402, figure 4), ces flux sont transportés sur deux fréquences dites intermédiaires f'1 et f'2 et selon des principes bien connus d'un homme du métier. Ces fréquences intermédiaires transportant les flux seront transposées par le produit en EHF aux fréquences F'1 et F'2 et 15 rayonnées par l'antenne sur les lobes couvrant les surfaces prédéfinies associées à un ou plusieurs groupes d'utilisateurs. L'émetteur/récepteur a les propriétés de diagramme de rayonnement suivantes: gain doublé, position et ouverture adaptables, faibles lobes secondaires, fort découplage en polarisation croisée. 20 On décrit ci-après un exemple de produit réalisable en un premier bloc multicouches « actif » et un second bloc multicouches « rayonnant » qui procurent le diagramme de rayonnement souhaité et notamment l'empreinte en gisement désirée, les deux blocs étant empilés et interconnectés. L'émetteur et/ou récepteur très compact selon l'invention (figure 3) 25 est conçu en technologie multicouches comportant différents substrats diélectriques et des couches de métal afin d'une part d'obtenir les propriétés citées précédemment et d'autre part d'obtenir un coût de réalisation réduit. La figure 3 illustre un exemple d'architecture de l'émetteur et/ou récepteur selon l'invention. Le rayonnement est orienté selon deux axes: un 30 axe en site S (vertical) et un axe en gisement G (horizontal). Il est connu que pour faire des antennes plates et compactes, on réalise des antennes par 3034268 9 des éléments rayonnants discrets que l'on couple et que l'on connecte entre eux. Ainsi selon l'axe S on combinera, en colonne, dix à vingt éléments rayonnants de façon à créer un diagramme en site de quelques degrés 12° à 6°, par exemple, afin d'assurer la couverture sur la distance voulue comme il 5 est représenté sur la figure 1B (empreinte en site), les trous de diagrammes seront comblés par l'arrangement selon l'axe S des éléments rayonnants (principe de l'antenne cosécantée) figure 2B (empreinte en site). Afin de réaliser des lobes en gisement dans l'axe G (figures 2A et 3) on utilisera au moins deux rangs ou colonnes d'éléments rayonnants (figures 8A, 8B, 8C). 10 Les lobes et leur positionnement sont respectivement obtenus par le coupleur C et les déphaseurs numériques (Pi et 02 du circuit actif décrits à la figure 4. Ce produit, émetteur et/ou récepteur, très compact en multicouches comprend, selon les figures 3 et 4, au moins deux blocs 15 multicouches empilés et connectés en EHF: - le premier bloc multicouches 31, dit « actif » assure les fonctions de transposition et d'amplification d'un signal ainsi que la distribution d'au moins deux flux en entrée/sortie 33, 34, 41, 42 (figure 4) en fréquences intermédiaires f'1 et f'2 en SHF, vers au moins deux 20 entrées ou sorties T1 et T2 (471, 472, figure 4) en EHF couplées à un second bloc multicouches rayonnant 32 réalisant au moins deux directions de rayonnement ou lobes dont l'orientation de ces directions ou lobes est assurée par ce premier bloc multicouches actif, - le second bloc multicouches dit « rayonnant », 32, superposé au 25 premier bloc « actif » par les entrées-sorties hyperfréquences T1 et T2 et réalisant des directions ou lobes F'1 et F'2 en EHF distribuant ainsi dans l'espace libre les flux sur les entrées/sorties des modems 41, 42, indépendants à au moins deux groupes de clients. Ce second bloc multicouches rayonnant assure les propriétés exigées par le système 30 PmP, c'est-à-dire, l'empreinte en gisement désirée, ainsi qu'un gain G, un rendement n, un découplage D de la polarisation croisée ainsi 3034268 10 qu'un niveau A de lobes secondaires. Toutes ces propriétés permettent de pouvoir au moins doubler la capacité et la portée obtenues par une tête radio ne disposant que d'un émetteur ou récepteur à antenne sectorielle à l'état de l'art. Les entrées/sorties 5 sont en hyper au même point que les transitions qui forment le dispositif permettant de passer d'une piste microstrip au connecteur de l'antenne. Un exemple détaillé de partie active (bloc actif 31 figure 3) est représenté sur la figure 4. Le circuit multicouches référencé 25FR et connu 10 de l'homme du métier, permet à bas coût de réaliser le sous-ensemble multicouches actif, l'usage du 25FR (ou équivalent) est rendu possible par le fait que les opérations sont essentiellement effectuées en fréquences intermédiaires SHF: les signaux des flux large bande (typiquement plusieurs centaines de MHz) sont injectés sur les fréquences f'1 et f'2 (typiquement 15 dans la bande C autour de 4 ou 6GHz) sur les connecteurs 41 et 42 (connecteurs standards de type MCX ou SMA commercialisés par la société Rosenberg) et introduits dans un coupleur hybride 90°, 43, de type Micro Xinger (model1 M803 commercialisé par la société Anaren). Les sorties du coupleur 43 sont dirigées vers deux déphaseurs numériques 441, 442, (Pi et 20 (P2, bande C connus de l'homme du métier des radars, par exemple, qui vont permettre, par une commande « P » de quelques bits, par exemple, de positionner à la demande, les lobes du bloc rayonnant et couvrir ainsi les surfaces désirées en fonction d'un ou de plusieurs groupes utilisateurs. Les sorties de ces déphaseurs REVENDICATIONS1 - Dispositif émetteur et/ou récepteur millimétrique (EHF) compact et performant en multicouches d'un système de communication permettant de réaliser une couverture au sol ou « empreinte » optimisée en fonction de la topographie des clients par la distribution d'au moins deux flux très haut débit et permettant la réutilisation des fréquences dans les secteurs voisins, l'usage de la polarisation croisée, le doublement de la portée caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux blocs multicouches empilés et connectés en EHF : - un premier bloc multicouches dit « actif » (31) adapté à assurer des fonctions de transposition et d'amplification ainsi que la distribution d'au moins deux flux en entrée/sortie (33, 34, 41, 42) en fréquence intermédiaires f'1 et f'2 en fréquence spécialement haute SHF, vers au moins deux entrées ou sorties «T1» et «T2» en ondes millimétriques EHF couplées à un second bloc multicouches rayonnant (32) réalisant au moins deux directions de rayonnement ou lobes dont l'orientation est assurée par ledit premier bloc multicouches actif, - le second bloc « rayonnant » (32) est superposé au premier bloc « actif » par les entrées-sorties (33, 34, 41, 42) et adapté à réaliser plusieurs directions ou lobes F'1 et F'2 en EHF distribuant ainsi dans l'espace libre au moins deux flux en entrée/sortie (41, 42) indépendants à au moins deux groupes de clients, la structure du second bloc rayonnant (32) étant définie afin d'obtenir l'empreinte en gisement désirée, un gain, un rendement, un découplage de la polarisation croisée, un niveau de lobes secondaires définis par un utilisateur R1, R2. 2 - Dispositif émetteur et/ou récepteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier bloc multicouches actif (31) comporte: 3034268 17 - au moins deux entrées sorties ( 41, 42) sur les fréquences f'1 et f'2 transportant les flux différents destinés à un ou plusieurs groupes d'utilisateurs, les flux étant introduits dans un coupleur hybride 90° (43), dont les sorties sont dirigées vers au moins deux déphaseurs 5 numériques (441, 442) bande C recevant chacun une commande « P », afin de positionner les lobes du bloc multicouches rayonnant (32) et couvrir les surfaces désirées où se situent lesdits utilisateurs, - les sorties de chacun de ces déphaseurs numériques (441, 442) étant ensuite filtrées par au moins un filtre de bande (461, 462) afin de 10 limiter en émission comme en réception des phénomènes d'intermodulation générés par les transpositions dans les émetteurs ou récepteurs, chaque signal après filtrage étant introduit sur un composant adapté à transposer, amplifier le signal, les entrées ou sorties de ces composants (Mi, M2) étant dirigées sur des transitions 15 «T1» et «T2» micro-rubans vers guides, lesdits guides EHF assurant la connexion aux éléments rayonnants du bloc multicouches « rayonnant », les composants (M1, M2) recevant un oscillateur local (480). 20 3 - Dispositif émetteur et/ou récepteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que le second bloc multicouches « rayonnant » (32) comporte au moins les éléments suivants : - une première plaque métallique (601) supporte l'ensemble et assure la connexion des transitions «T1» et «T2» du multicouches actif au 25 moyen d'au moins deux connecteurs (41, 42), - une couche (602) diélectrique transparent aux ondes assurant le maintien en place, - une couche (603) métallique conductrice réalisant les lignes d'alimentation des éléments rayonnants, 30 - une couche (604) diélectrique substrat des lignes d'alimentation permettant de réaliser un circuit micro-ruban, 3034268 18 - une couche (605) constituée d'une colle diélectrique, - une couche (606) constituée d'une feuille métallique percée de deux rangées de fentes gravées (810), - une couche (607) constituant le diélectrique substrat de l'ensemble de 5 fentes gravées, - une couche (608) métallique comprenant des réseaux de patchs, l'ensemble fente-diélectrique-patch constituant l'élément rayonnant alimenté par les lignes de la couche (603) lesquelles étant reliées aux connecteurs (41, 42). 10 4 - Dispositif émetteur et/ou récepteur selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte deux colonnes (802, 803) d'éléments rayonnants (801) choisi en fonction du diagramme de rayonnement et du gain désiré en site, deux colonnes d'alimentation (806, 807) reliées à deux connecteurs à travers 15 des empreintes (808, 809) et en ce que la feuille métallique (606) est percée de deux rangées de fentes gravées (810). 5 - Dispositif émetteur et/ou récepteur selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'empreinte au sol en gisement est constituée d'au 20 moins deux lobes dont la position en gisement et la largeur sont adaptables en position (gisement) par le multicouches actif et en largeur par le multicouches rayonnant et focalisateur. 6 - Dispositif émetteur et/ou récepteur selon l'une des revendications 25 précédentes caractérisé en ce que le premier bloc actif (31) est réalisé en SHF. 7 - Dispositif émetteur et/ou récepteur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit multicouches actif est réalisé en 30 technologie 25FR.