Brevet FR3058000A1 — publié le 20180427

Dispositif antenne La présente invention a trait à un dispositif antenne prévu pour équiper des boîtiers d'émission/réception d'ondes radiofréquences notamment dans les domaines de fréquences des bandes UHF, utilisées dans des réseaux de transmission de données sans fil, par exemple dans le cadre de la téléphonie mobile. Ces fréquences sont adaptées au transport de données de tous ordres, y compris bien entendu la voix mais plus particulièrement les données de poids plus conséquent comme les textes, images et vidéos notamment accessibles via les réseaux locaux et généraux de type internet. Les dispositifs émetteurs récepteurs comportent à cet égard des modems, dénomination à présent usuelle pour les dispositifs modulateurs-démodulateurs qui transforment les signaux analogiques captés par les antennes en données numériques exploitables par un système de traitement en aval, ou qui convertissent les données numériques en sortie de ces systèmes de traitement à vocation multiple en signaux analogiques prêts à être émis par les antennes. Plus spécifiquement, la connexion à des réseaux cellulaires sur un territoire donné dépend évidemment principalement de l'existence de dispositifs d'émission/retransmission, puis secondairement de leur densité (nombre) et implantation (emplacement), ces paramètres ayant notamment une incidence sur la qualité de réception finale des signaux. Cette qualité dépend bien entendu aussi et in fine de la nature des données (poids) et enfin du positionnement relatif des émetteurs et des utilisateurs munis de leurs terminaux (téléphones 3058000 2 cellulaires, tablettes ou ordinateurs, box d'opérateurs GSM/UMTS, dispositifs de retransmission WIFI etc..). Ainsi, en prenant l'exemple des antennes relais disséminées sur un territoire, et qu'utilisent lesdits 5 opérateurs, elles appartiennent chacune à une cellule qui est une zone géographique bien délimitée notamment en relation avec les portées des émetteurs et les capacités d'informations à véhiculer. Les cellules sont, sans surprise, de dimensions supérieures dans les campagnes par 10 opposition au maillage urbain. Ce maillage plus lâche a pour conséquence qu'il peut demeurer, en général loin des villes, des zones géographiques qui ne sont pas correctement couvertes par les réseaux mobiles, et suscitent des difficultés d'accès notamment dès que les 15 données pèsent un certain poids. Dans le pire des cas, il continue d'exister de nos jours des régions très peu couvertes par la diffusion, qui sont désignées sous le terme « zone grises » ou « zones d'ombre ». L'évolution va dans le sens d'une augmentation constante 20 des services de radiodiffusion et d'un accroissement continuel du débit, permettant certes de véhiculer plus de données pour le plus grand nombre, mais qui s'avère concomitamment technologiquement bien plus exigeant pour ce qui concerne tous les maillons technologiques de la chaîne, 25 au niveau de l'émission comme de la réception. En d'autres termes, les données mobiles connaissent une croissance rapide, qui est sensiblement parallèle au nombre de personnes qui consomment les contenus qui leurs sont associés, impliquant un effort technologique constant pour 30 maintenir l'équation en l'état. La course à l'internet mobile en est une parfaite illustration. 3058000 3 Or la bande UHF, déjà mise en oeuvre de manière plus aboutie sur d'autres continents, est une gamme de fréquences adaptée qui est dès lors déjà couramment utilisée, et qui est au surplus pressentie pour l'extension 5 du haut débit mobile, notamment parce qu'elle permet une qualité de réception des informations qui correspond aux attentes actuelles. Il est donc question d'augmenter la bande des fréquences traditionnellement allouées aux données cellulaires. 10 La réflexion en cours pour véhiculer plus et mieux les données n'est cependant pas complète si elle s'arrête à l'aspect normatif et institutionnel et au maillage technique qui s'ensuit via les cellules. En d'autres termes, la réflexion est largement inaboutie si elle se 15 borne à envisager ce qui résulte directement ou indirectement d'une politique étatique ou para étatique qui vient « d'en haut », c'est-à-dire éventuellement d'une volonté politique et également des capacités techniques au stade de l'émission. Elle doit être menée de pair avec une 20 réflexion à l'autre bout de la chaîne technique, au niveau de la réception. Le but est notamment de viser à optimiser les composants qui participent à la réception, par exemple au niveau des terminaux, mobiles ou non. L'idée est en un mot d'améliorer les systèmes récepteurs dans le but de 25 pallier autant que possible les insuffisances constatées lors de l'émission. A cet égard, la présente invention propose un dispositif antenne innovant qui améliore considérablement les performances de l'antenne à la réception, acheminant au 30 modem disposé en aval de l'antenne des signaux analogiques 3058000 4 restituant les données cellulaires avec une amplitude et une qualité bien supérieures aux antennes existantes. A cet effet, et cela génère secondairement bien d'autres avantages techniques qui apparaîtront dans la suite de 5 cette description, le dispositif antenne de l'invention, classiquement relié au châssis d'un modem d'un émetteur-récepteur radiofréquences, est tel qu'il comporte au moins deux antennes planaires orientées sensiblement perpendiculairement l'une à l'autre et dont les plans de 10 masse sont reliés, lesdites antennes comportant chacune sur une première face d'une première partie d'un substrat diélectrique une première surface conductrice formant antenne et reliée par un brin à une connexion de raccordement à des moyens de transmission du signal de type 15 câble coaxial, et sur la seconde face et dans une seconde partie du substrat une seconde surface conductrice formant plan de masse située au dos du brin. La double orientation des antennes permet de capter les signaux dans des directions perpendiculaires, ce qui a pour 20 effet d'élargir considérablement le champ de balayage : le dispositif de l'invention fonctionne en pratique de manière à la fois omnidirectionnelle, qui est le mode préférentiel, et directive par défaut. Lorsque cela ne fonctionne pas en mode omnidirectionnel, une certaine optimisation peut 25 néanmoins être effectuée par calage en mode directif. Selon une configuration préférentielle, la première surface est d'allure elliptique, cette forme permettant de faire travailler de manière naturellement optimale le dispositif antenne de l'invention dans les deux positions 30 souhaitées, perpendiculaire l'une à l'autre, avec des caractéristiques de réception équivalentes. En pratique, la 3058000 5 dimension selon le grand axe de l'ellipse est comprise entre 1,5 et 2,5 fois la dimension selon le petit axe, constituant un dimensionnement relatif adapté à ladite optimisation pour le captage des signaux dans les deux 5 dimensions. Dans la configuration de l'invention, le brin reliant l'antenne active au câble de liaison est orienté parallèlement au grand axe de l'ellipse, de préférence coaxial audit axe, ou perpendiculairement au grand axe. Le 10 brin traverse la seconde partie du substrat, du côté opposé au plan de masse, c'est-à-dire en un endroit neutre, qui n'émet pas du fait de l'existence de la masse à ce niveau. Seule la première surface conductrice elliptique, calibrée pour les longueurs d'ondes prévues dans les applications 15 d'émission-réception de données cellulaires, est active à cet égard. Selon une possibilité, la seconde surface conductrice dans la seconde partie du substrat isolant peut être rectangulaire, voire carrée, une forme pratique pour mettre 20 en oeuvre la superposition des masses, s'il y a lieu. Plus précisément encore, les côtés de la seconde surface rectangulaires sont parallèles ou perpendiculaires aux axes de l'ellipse, ce qui contribue à optimiser la superposition des plans de masse lorsque les antennes planaires sont 25 disposées perpendiculairement l'une à l'autre. Selon une configuration possible, pour chaque antenne planaire de l'invention, lesdites première et seconde surfaces conductrices ne présentent pas de recouvrement mais sont voisines ou tangentes en projection sur une 30 surface parallèle au plan moyen du substrat isolant, bien que localisées sur les deux faces opposées du substrat. 3058000 6 Plus précisément, elles se développent bien sur deux faces différentes et ne peuvent donc pas se toucher, mais si on les projette sur un plan parallèle à l'antenne planaire, elles sont voisines ou au contact l'une de l'autre de 5 manière tangentielle ou quasi tangentielle. De préférence, selon l'invention, les deux antennes planaires sont identiques, de sorte que le balayage dans les deux orientations puisse se faire de manière totalement équivalente, pour des fréquences elles-mêmes identiques ou 10 quasi-identiques. Lorsque l'invention présente un couple d'antennes disposées perpendiculairement l'une à l'autre, les deux antennes sont orientées, par exemple lors de leur fixation au châssis, de sorte que leurs plans de masses se 15 superposent sans contact. Ils sont dès lors reliés par contact avec le châssis, sans se toucher pour ne pas modifier la surface de masse et sa relation avec le brin. L'épaisseur de la masse est cependant augmentée par cette configuration particulière, contribuant à améliorer 20 l'efficacité globale du plan de masse, lequel joue un rôle essentiel car les courants circulant dans les antennes produisent des courants induits dans les plans de masse, créant à leur tour des champs qui s'ajoutent à ceux qui sont créés par les courants d'antenne. Le champ résultant 25 finit par s'approcher de celui qui est créé par un dipôle, conférant à l'ensemble un rendement d'antenne correspondant. D'où l'importance des plans métalliques conducteurs tels que ceux qui sont utilisés comme plans de masse dans l'invention. 30 Selon une configuration alternative, les deux antennes planaires perpendiculaires peuvent être disposées sur un 3058000 7 même substrat diélectrique comportant un unique plan de masse, les dimensions de leurs premières surfaces, c'est-à-dire des antennes proprement dites, et de leurs brins, étant sensiblement identiques. Une telle solution 5 n'implique donc qu'un seul plan de masse qui est partagé entre les deux antennes. Selon une autre variante encore, les antennes peuvent être fixées sur au moins un dispositif permettant leur rotation relativement au châssis. Cela peut par exemple 10 être réalisé de manière classique avec des balais, charbons etc. glissant sur un collecteur solidaire de l'antenne. Il est alors aisé d'optimiser la réception en modifiant leur calage respectif. De préférence, selon l'invention et pour les 15 applications envisagées, les antennes planaires présentent les caractéristiques suivantes : - impédance d'entrée : 50 ohms - puissance maximale d'entrée : 30 W - bande passante comprise entre : 600 MHz et 2700 MHz 20 - rendement : 5dBi. L'impédance est liée à celle du câble de liaison, et la bande passante dépend de l'application, en l'occurrence il s'agit de la gamme des fréquences UHF et des bandes L et S utilisées pour la transmission des données mobiles 25 cellulaires. De manière avantageuse, dans ces conditions et pour ces applications, les dimensions de l'antenne présentent les caractéristiques suivantes : - grand axe de la première surface elliptique : entre 30 90 mm à 100 mm - petit axe de l'ellipse : entre 45 mm à 50 mm 3058000 8 - largeur du brin : entre 3 mm à 5 mm - longueur du brin : entre 50 mm à 60 mm - dimension des côtés de la seconde surface rectangulaire parallèles au grand axe de l'ellipse : entre 50 mm à 5 60 mm - dimension des côtés de la seconde surface rectangulaire perpendiculaires au grand axe de l'ellipse : entre 50 mm à 60 mm. Le dispositif antenne de l'invention fonctionne alors, 10 en lien avec le modem, de manière classique avec l'envoi par le modem d'un bref signal à destination des antennes relais des opérateurs qui sont situées aux alentours, pour accéder au réseau de communication. Une passerelle s'établit alors entre eux, basée sur un 15 protocole de communication IP, une adresse physique MAC et un numéro GSM. En cas d'atténuation du signal, le dispositif d'antenne de l'invention permet une efficacité opérationnelle sans commune mesure avec les dispositifs qui existent à ce jour. 20 L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux figures annexées, pour lesquelles : - la figure 1 représente une vue en perspective d'une des antennes constituant le dispositif antenne de l'invention, vue du côté antenne ; 25 - la figure 2 est une vue en perspective de la même antenne, vue du côté plan de masse ; et - la figure 3 montre une vue d'une antenne double selon l'invention, dans la version dans laquelle les deux antennes planaires perpendiculaires sont disposées sur 30 un même substrat diélectrique. 3058000 9 En référence à la figure 1, la partie active de chaque antenne planaire est constituée d'une première surface conductrice d'allure elliptique (1) disposée sur une première partie ou portion (2) d'un substrat isolant (5). 5 La surface conductrice (1) peut simplement être une couche de cuivre de la forme choisie, placée sur une plaque isolante (5) par exemple en résine isolante, la fabrication de l'antenne obéissant alors aux techniques bien connues de fabrication des circuits imprimés, en l'occurrence un 10 circuit imprimé double face. Le brin (3) de l'antenne se développe axialement dans le prolongement du grand axe de l'ellipse en direction et, pour la plus grande partie sinon la totalité de son extension, dans une seconde partie (4) du substrat (5), au 15 dos de laquelle s'étend la seconde surface conductrice ou plan de masse (10) de ladite antenne (voir en figure 2). A son extrémité distale de la surface elliptique (1) de l'antenne, le brin (3) est soudé en (6) à un câble (7) coaxial qui est connecté à un modem traitant les 20 entrées/sorties de signaux respectivement en provenance / et à destination de l'antenne. Les câbles coaxiaux présentent classiquement une impédance de 50 Ohm à laquelle l'impédance de l'antenne doit être accordée. L'âme du câble coaxial est soudée au brin (3), alors que la tresse 25 torsadée entourant ladite âme est soudée au plan de masse (10). Dans la configuration montrée en figure 1 (qui n'est pas à l'échelle), la première surface elliptique (1) de l'antenne a une longueur (suivant le grand axe) d'environ 30 92 mm, alors que la largeur (suivant le petit axe) est de 3058000 10 l'ordre de 45 mm. Le brin (3) s'étend sur environ 56 mm et présente une largeur de l'ordre de 4 mm. Les dimensions du plan de masse (10) relativement à la seconde partie (4) du substrat isolant (5) apparaissent 5 principalement en figure 2 (et sont représentées à titre informatif par un trait transversal en figure 1). Il est en particulier visible, en figure 1, que le brin (3) présente une longueur telle qu'il « traverse » la totalité de la surface du plan de masse, sur la face 10 opposée, le point de soudure (6) étant au voisinage immédiat de la bordure dudit plan de masse (10) distale de la surface elliptique (1) de l'antenne. Les deux figures montrent que le plan de masse (10) et la première surface elliptique (1) de l'antenne n'ont pas 15 de zone de recouvrement, afin que l'antenne n'émette pas au niveau du brin (3) « couvert » par le plan de masse (10). Le dispositif d'antenne de l'invention fonctionne de préférence avec deux antennes par exemple identiques à celle qui est représentée aux figures 1 et 2 disposées 20 perpendiculairement l'une à l'autre. Il est à noter que la seconde partie (4) du substrat (5) recevant d'un côté la majeure partie du brin (3) et de l'autre le plan de masse (10) est telle que sa forme est non seulement rectangulaire mais carrée, permettant un recouvrement et une 25 superposition très complets lorsque deux antennes de ce type sont associées perpendiculairement et à proximité immédiate l'une à l'autre dans le châssis du modem. Dans la version de la figure 3, les deux antennes sont disposées perpendiculairement sur un même substrat (5), en 30 l'occurrence un unique circuit imprimé (PCB) doté sur une première face de deux surfaces elliptiques (1, 1') reliées 3058000 11 à des brins (3, 3') qui « traversent » un plan de masse (10) qui est sur la seconde face du PCB. On retrouve bien l'idée de perpendicularité des deux antennes, à savoir les deux surfaces conductrices (1, 1') et l'accès à deux brins 5 (3, 3'), en l'occurrence parallèles, sur un même côté du substrat isolant (5). Les antennes (1, 1') et les brins (3, 3') sont de même surface ou de surfaces approchantes. Les caractéristiques mentionnées ci-dessus sur le soudage d'un câble et/ou l'existence d'un connecteur sont toujours 10 vraies et mises en oeuvre exactement dans les mêmes conditions. En particulier, la première partie (2) du PCB est bien celle qui voit les premières surfaces conductrices formant les antennes elliptiques (1, 1'), alors que la seconde partie (4) de ce substrat sous forme de PCB 15 comprend d'un côté les brins (3, 3') et de l'autre la seconde surface conductrice formant l'unique plan de masse (10). La forme et les dimensions données permettent une bonne compatibilité électrique de l'antenne à la connectique de 20 transmission entre elle et le modem, préservant notamment un taux d'ondes stationnaires (TOS) correct. Du point de vue des calculs de compatibilité d'impédance, on peut penser que les deux antennes formant le dispositif d'antenne de l'invention sont envisagées indépendamment 25 l'une de l'autre, notamment également parce qu'elles sont reliées chacune au châssis du modem par une connexion (par fiche ou câble) qui lui est propre : en réalité, leur proximité permettant la superposition des plans de masse, connectés via ledit châssis, permet un fonctionnement 30 combiné des deux antennes notamment du fait des 3058000 12 interactions des champs électriques générés par les différentes parties des deux antennes. L'association des antennes, qui aboutit à un fonctionnement omnidirectionnel en permettant un champ de 5 balayage bien plus important par captage des signaux dans deux directions, augmente aussi le spectre des fonctionnements possibles puisque, comme déjà mentionné, un mode opératoire directionnel est aussi possible, si le gain de la configuration combinée est insuffisant. 10 L'optimisation peut alors aussi être effectuée par calage de l'antenne directive par tout moyen, y compris des moyens motorisés et automatisés via un collecteur et des balais. De manière générale, si les formes décrites en référence aux exemples illustrés conduisent à d'excellents résultats 15 qui en font des formes préférentielles, elles ne sont pas limitatives de l'invention, les structures, matériaux et formes de l'antenne, du plan et masse etc. pouvant changer tout en restant dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS1. Dispositif antenne relié au châssis d'un modem d'un émetteur-récepteur radiofréquences, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux antennes planaires orientées sensiblement perpendiculairement l'une à l'autre et dont les plans de masse sont reliés, lesdites antennes comportant chacune sur une première face d'une première partie (2) d'un substrat diélectrique (5) une première surface conductrice (1, 1')) formant antenne et reliée par un brin (3, 3') à une connexion (6) de raccordement à des moyens de transmission du signal de type câble coaxial (7) et sur la seconde face et dans une seconde partie (4) du substrat (5) une seconde surface conductrice (10) formant plan de masse située au dos du brin (3, 3'). 2. Dispositif antenne selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première surface (1, 1') est d'allure elliptique. 3. Dispositif antenne selon la revendication 20 précédente, caractérisé en ce que la dimension selon le grand axe de l'ellipse est comprise entre 1,5 et 2,5 fois la dimension selon le petit axe. 4. Dispositif antenne selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le brin (3) est orienté 25 parallèlement au grand axe de l'ellipse, de préférence coaxial audit axe, ou perpendiculairement (3') au grand axe. 5. Dispositif antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde surface conductrice (10) dans la seconde partie (4) du substrat 30 isolant (5) est rectangulaire, voire carrée. 6. Dispositif antenne selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les côtés de la seconde surface (10) rectangulaires sont parallèles ou perpendiculaires aux 3058000 14 axes de l'ellipse. 7. Dispositif antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites première et seconde surfaces (1, l', 10) conductrices ne présentent pas 5 de recouvrement mais sont voisines ou tangentes en projection sur une surface parallèle au plan moyen du substrat isolant (5). 8. Dispositif antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux antennes sont 10 orientées de sorte que leurs plans de masses (10) se superposent sans contact. 9. Dispositif antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux antennes planaires sont identiques. 15 10. Dispositif antenne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux antennes planaires perpendiculaires sont disposées sur un même substrat diélectrique (5) comportant un unique plan de masse (10), les dimensions de leurs premières surfaces (1, 1') et de leurs brins (3, 3') étant sensiblement identiques. 11. Dispositif antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux antennes sont orientées respectivement l'une verticalement et l'autre horizontalement. 12. Dispositif antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux antennes sont fixées sur au moins un dispositif permettant leur rotation relativement au châssis. 13. Dispositif antenne selon l'une des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce que les antennes planaires présentent les caractéristiques suivantes : - impédance d'entrée : 50 ohms - puissance maximale d'entrée : 30 W 3058000 15 - bande passante comprise entre : 600 MHz et 2700 MHz - rendement : 5dBi 14. Dispositif antenne selon l'une des revendications 2 à 13, caractérisé en ce que les dimensions de l'antenne 5 présentent les caractéristiques suivantes : - grand axe de la première surface elliptique : compris entre 90 mm à 100 mm - petit axe de l'ellipse : compris entre 45 mm à 50 mm - largeur du brin : comprise entre 3 mm à 5 mm 10 - longueur du brin : comprise entre 50 mm à 60 mm - dimension des côtés de la seconde surface rectangulaire parallèles au grand axe de l'ellipse : comprise entre 50 mm à 60 mm - dimension des côtés de la seconde surface 15 rectangulaire perpendiculaires au grand axe de l'ellipse : comprise entre 50 mm à 60 mm.