Brevet FR3096515A1 — publié le 20201127

Description Titre de l'invention : Système d'antennes pour véhicule Domaine technique [0001] L'invention concerne les systèmes d'antennes pour véhicule, notamment de type au- tomobile. Arrière-plan technologique [0002] Les véhicules contemporains embarquent nombre de moyens de communication par ondes radioélectriques qui nécessitent chacun une ou plusieurs antennes. Il est connu de positionner une ou plusieurs antennes sur le toit d'un véhicule, notamment à l'intérieur d'un dispositif ayant la forme d'un aileron de requin. [0003] La figure 1 illustre un module d'antenne 10 en forme d'aileron dc requin. Cc module 10 est creux et s'étend selon 3 dimensions selon les axes X, Y et Z d'un repère associé au véhicule, le plan du toit du véhicule correspondant au plan selon les axes X et Y, le dispositif s'étendant également verticalement selon l'axe Z. [0004] La figure 2 illustre l'arrangement 2 de trois antennes 201, 202, 203 à l'intérieur du dispositif en forme d'aileron de requin 10. Ces antennes s'étendent essentiellement verticalement, c'est-à-dire selon l'axe Z. Ainsi, les antennes 201 et 202 forment chacune une surface selon le plan formé par les axes X et Z et l'antenne 203 forme une surface selon le plan formé par les axes Y et Z. L'espace étant réduit à l'intérieur du dispositif 10, le nombre d'antennes qu'il est possible de disposer dans un tel espace est limité et ne permet pas de répondre à tous les besoins en ternies de communication par ondes radioélectriques avec l'environnement extérieur du véhicule. En effet, la taille des antennes et les interférences générées entre ces antennes limitent leur nombre. Résumé de l'invention 100051 Un objet de la présente invention est d'augmenter le nombre d'antennes arrangées dans un espace de dimension limitée. 100061 Un autre objet de la présente invention est de limiter le transfert d'énergie d'une antenne à l'autre dans un système d'antennes aux dimensions réduites. 100071 Selon un premier aspect, l'invention concerne un système d'antennes pour véhicule, le système comprenant une pluralité d'antennes de type plate arrangées en au moins deux couches d'antennes, chaque couche d'antennes comprenant au moins une antenne de la pluralité, les couches d'antennes de chaque paire de couches d'antennes du système étant isolées l'une de l'autre par l'intermédiaire d'une couche formant plan de masse arrangée entre les couches d'antennes de chaque paire. 100081 Selon une variante, au moins une partie de ladite pluralité d'antennes forme un système permettant une communication MIMO (de l'anglais « Multiple-Input 2 Multiple-Output » ou en français « Entrées multiples sorties multiples »). [0009] Selon encore une variante, la pluralité d'antennes est contigu& pour rayonner et/ou capter des ondes radioélectriques dans une ou plusieurs des bandes de fréquences suivantes : [0010] - basse fréquence ; [0011] - moyenne fréquence ; [0012] - haute fréquence ; [0013] - très haute fréquence ; [0014] - ultra haute fréquence ; et [0015] - super haute fréquence. [0016] Selon une variante supplémentaire, chaque antenne de la pluralité d'antennes correspond à l'une des antennes suivantes : [0017] - antenne planaire ; [0018] - antenne fil plaque monopolaire ; [0019] - antenne en F inversé ; [0020] - antenne planaire en F inversé. [0021] Selon une autre variante, le système est arrangé à l'extérieur du véhicule sur le toit du véhicule. [0022] Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un module d'antenne comprenant le système d'antennes tel que décrit ci-dessus selon le premier aspect de l'invention et un capot de protection arrangé de manière à recouvrir la pluralité d'antennes. [0023] Selon une variante, le capot de protection a la forme d'un aileron de requin. [0024] Selon une autre variante, le module comprend une unité de contrôle télématique, par exemple arrangée à l'intérieur du véhicule, reliée à la pluralité d'antennes. [0025] Selon un troisième aspect, l'invention concerne un véhicule, par exemple de type au- tomobile, comprenant le système tel que décrit ci-dessus selon le premier aspect de l'invention ou le module tel que décrit ci-dessus selon le deuxième aspect de l'invention. Brève description des figures [0026] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description des modes de réalisation non limitatifs de l'invention ci-après, en référence aux figures 1 à 4 annexées, sur lesquelles : [0027] [fig.1] illustre de façon schématique un module d'antenne en forme d'aileron de requin, selon un exemple de réalisation particulier de la présente invention ; [0028] [fig.2] illustre schématiquement un arrangement d'antennes dans le module de la figure 1, selon l'art antérieur ; [0029] [fig.3] illustre schématiquement un arrangement d'antennes dans le module de la 3 figure I. selon un exemple de réalisation particulier de la présente invention ; [0030] [fig.4] illustre schématiquement une unité de contrôle télématique connecté à l'arrangement d'antennes de la figure 3, selon un exemple de réalisation particulier de la présente invention. Description des modes de réalisation [0031] Un système d'antennes et un module d'antenne vont maintenant être décrits dans ce qui va suivre en référence conjointement aux figures 1 à 4. [0032] Selon un exemple particulier et non limitatif de réalisation de l'invention, un système d'antennes pour véhicule comprend plusieurs antennes de type plate arrangées en au moins deux couches (l'antenne. Une antenne plate est une antenne s'étendant essentiellement selon un plan avec une épaisseur inférieure à une valeur déterminée, par exemple inférieure à 1 mm, 2mm, 5 mm ou 10 mm. Chaque couche d'antenne comprend une ou plusieurs antennes. Les couches d'antennes sont isolées les unes des autres par une couche formant plan de niasse disposée entre 2 couches d'antenne. [0033] L'utilisation d'antennes de type plane empilées par couche permet d'augmenter le nombre d'antennes intégrées dans un module type aileron de requin ou autre, c'est-à-dire dans un module de dimensions limitées ou dans un volume réduit (par exemple moins de 1, 2 ou 3 dm3). [0034] Par ailleurs, l'insertion d'un plan de niasse entre 2 couches d'antenne permet d'isoler les antennes d'une couche des antennes d'une autre couche en limitant le transfert d'énergie d'une antenne à l'autre. [0035] [fig.1] illustre de façon schématique un module d'antenne 10 de type aileron de requin, selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention. [0036] Le module 10 a la forme d'un aileron de requin, pour des raisons esthétiques mais aussi aérodynamiques en favorisant l'écoulement de l'air autour du module et en limitant la prise au vent du module 10. Un tel module 10 est avantageusement disposé sur le toit 11 d'un véhicule, par exemple au milieu à l'arrière du toit 11. [0037] Le module 10 est creux pour pouvoir y insérer des antennes et s'étend selon 3 di- mensions selon les axes X, Y et Z d'un repère associé au véhicule, le plan du toit du véhicule correspondant au plan selon les axes X et Y, le dispositif s'étendant également verticalement selon l'axe Z. Le module 10 comprend avantageusement un capot ou une coque de protection visible sur la figure 1. Le capot de protection est par exemple réalisé dans un matériau plastique. Le module 10 possède par exemple les dimensions suivantes (longueur maximale x largeur maximale x hauteur maximale) : 17 cm x 7,5 cm x 5,5 cm, ou 19 cm x 6 cm x 6,5 cm, ou encore 16 cm x 9 cm x 6 cm. [0038] Le module 10 comprend ou reçoit également un système d'antennes tel que le système décrit en regard de la figure 2 [0039] Bien entendu, la forme du module 10 n'est pas limitée à un aileron de requin mais s'étend à toute forme, par exemple un demi-ovoïde, un tétraèdre, une pyramide. [0040] [fig.3] illustre schématiquement un système d'antennes 3 arrangées dans un capot de protection 3000, l'ensemble système d'antennes plus capot correspondant à un module d'antenne tel que le module 10, selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention. [0041] La figure 3 illustre le système d'antennes 3 selon une coupe longitudinale cor- respondant au plan formé par les axes X et Z du repère de la figure 1. Le système d'antennes 3 est ainsi représenté en deux dimensions pour des raison de clarté, étant entendu que le système d'antennes 3 est un système à trois dimensions. [0042] Le système 3 comprend plusieurs antennes 31 à 35 de type plane arrangées en plusieurs couches, plus particulièrement en 3 couches d'antenne selon l'exemple non limitatif de la figure 3. [0043] Une première couche d'antennes comprend deux antennes planes 31 et 32. Une deuxième couche d'antennes comprend également deux antennes planes 33 et 34. Une troisième couche d'antennes comprend une antenne plane 35. Les première, deuxième et troisième couches d'antennes forment un empilement de couches d'antennes selon l'axe vertical Z. Ainsi, la première couche est la couche la plus basse, c'est-à-dire la plus proche du toit 11 et la plus basse dans l'empilement ; la deuxième couche est au-dessus de la première couche et en dessous de la troisième couche d'antenne ; et la troisième couche est la couche supérieure de l'empilement, c'est-à-dire la couche la plus haute dans l'empilement. Chaque couche d'antenne s'étend essentiellement horizontalement dans le plan formé par les axes X et Y. Chaque couche cl' antenne est essentiellement parallèle au plan du toit 11 du véhicule ou plus généralement au plan de la surface sur laquelle est disposé ou fixé le module d'antennes. [0044] Chaque antenne 31 à 35 est de type plane, c'est-à-dire que la hauteur de chaque antenne est inférieure à une hauteur déterminée ou seuil, par exemple la hauteur est inférieure à quelques millimètres. Les antennes 31 à 35 correspondent par exemple à l'une ou l'autre des antennes suivantes : [0045] - antenne planaire (aussi appelée antenne patch) : l'antenne planaire est formé d'un substrat diélectrique et d'une plaque métallique, appelée élément rayonnant, positionnée sur une des faces du substrat diélectrique. L'autre face du substrat diélectrique est également métallisée et forme le plan de masse ; [0046] - antenne fil plaque monopolaire : l'antenne fil plaque monopolaire est une antenne planaire à laquelle sont ajoutés un ou plusieurs fils de masse entre l'élément rayonnant et le plan de masse ; [0047] - antenne en F inversé (aussi appelée antenne IFA, de l'anglais « Inverted-F Antenna ») : l'antenne WA correspond à une antenne monopole s'étendant essentiellement parallèlement à un plan de masse et relié à ce dernier à une de ses extrémités ; [0048] - antenne planaire en F inversé (aussi appelée antenne PIFA, de l'anglais « Planar Inverted-F Antenna ») : l'antenne PIFA correspond à une antenne WA pour laquelle l'élément rayonnant filaire est remplacé par une plaque métallique ; [0049] - et plus généralement toute type d'antenne, notamment dans le domaine des super hautes fréquences (entre 3 et 30 GHz), ces antennes étant de faibles dimensions du fait du domaine de fréquence des ondes radioélectriques. [0050] Les dimensions et formes de ces antennes sont variées. A titre d'exemples, de telles antennes sont de forme carré ou rectangulaire avec des dimensions (longueur x largeur x hauteur) égales à 20 mm x 15 mm x 3,5 mm, 40 mm x 22 mm x 5 mm, ou encore 60 mm x 26 mm x 13 mm. Les dimensions sont avantageusement fonction du domaine de fréquence des ondes radioélectriques rayonnées et/ou captées par ces antennes. [0051] Les dimensions des antennes sont avantageusement choisies en fonction de la bande de fréquence pour laquelle ces antennes sont utilisées. [0052] Une antenne IFA ayant une hauteur généralement supérieure aux autres antennes de type plane sera avantageusement positionnée dans couche d'antenne la plus haute dans l'empilement. À titre d'exemple, l'antenne 35 correspond à une antenne IFA, les antennes 31 à 34 correspondant elles à des antennes PIFA ou antenne fil plaque monopolaire. [0053] Le positionnement de chaque antenne dans une couche d'antenne et/ou dans une couche d'antenne ou dans une autre (c'est-à-dire dans la première couche d'antenne, dans la deuxième couche d'antenne ou dans la troisième couche (l'antenne) est fonction du type de communication (par exemple LTE ((le l'anglais « Long-Term Evolution » ou en français « Evolution à long terme »), Wifi, C-V2X (de l'anglais Cellular - Vehicle to Everything » ou en français « Cellulaire - Véhicule vers tout »)) pour laquelle l'antenne est utilisée. Une antenne de la pluralité d'antenne 31 à 35 est avantageusement utilisée pour l'émission et/ou la réception de signaux selon un ou plusieurs des protocoles de communication suivants : [0054] - Bluetooth0 ; [0055] - Wifi0 selon IEEE 802.11; [0056] - ITS 05 basé sur IEEE 802.11p ; [0057] - LTE Advanced selon 3GPP release 10 - version 10; [0058] - 5G ; [0059] - 3GPP LTE-V2X ; [0060] - DAB ou DAB+ ((le l'anglais « Digital Audio Broadcasting » ou en français « Radio numérique terrestre »). 6 [0061] Selon une variante, le positionnement des antennes dans le système d'antenne est déterminé en fonction du diagramme de rayonnement voulu pour chaque antenne. Par exemple, l'antenne 31 est positionnée dans la première couche dans la partie avant du module 10 (c'est-à-dire dirigée vers l'avant du véhicule) de manière à ce que le diagramme de rayonnement 310 de l'antenne 31 soit optimisé pour les faibles élévations. Le diagramme de rayonnement dépend du type d'antenne mais aussi de la position de l'antenne par rapport à des plans de masse proches de l'antenne (par exemple le toit 11 métallique du véhicule sous l'antenne 31 et le plan de masse 301 au-dessus de l'antenne 31), les plans de masse augmentant la directivité du rayonnement selon cet exemple. Selon un autre exemple, l'antenne 35 est positionnée dans la couche la plus élevée de telle manière que son diagramme de rayonnement corresponde à une demi-sphère s'élevant au-dessus de l'antenne 35. Le rayonnement de l'antenne est ainsi plus large que celui des autres antennes (rayonnement de type omnidirectionnel). [0062] Selon un mode de réalisation particulier, certaines antennes sont positionnées à des endroits particuliers du système 3 pour coopérer, par exemple dans le cadre d'un système MIMO (de l'anglais « Multiple-Input Multiple-Output » ou en français « Entrées multiples sorties multiples »). Par exemple, les antennes 33 et 34 forment les antennes d'un tel système MIMO. [0063] Chaque antenne 31 à 35 est configurée pour rayonner et/ou capter des ondes radio- électriques dans une ou plusieurs des bandes de fréquences suivantes, selon l'utilisation qui est faite de l'antenne : [0064] - basse fréquence, c'est-à-dire entre 30 kHz et 300 kHz ; [0065] - moyenne fréquence, c'est-à-dire entre 300 kHz et 3 MHz ; [0066] - haute fréquence, c'est-à-dire entre 3 MHz et 30 MHz; [0067] - très haute fréquence, c'est-à-dire entre 30 MHz et 300 MHz; [0068] - ultra haute fréquence, c'est-à-dire entre 300 MHz et 3 GHz ; et [0069] - super haute fréquence, c'est-à-dire entre 3 GHz et 30 GHz. [0070] 2 couches d'antenne successives dans l'empilement sont avantageusement séparées par un plan de masse. Par exemple, la première couche d'antenne est séparée de la deuxième couche d'antenne par le plan de masse 301 ; et la deuxième couche d'antenne est séparée de la troisième couche d'antenne par le plan de masse 302. Le plan de masse est formé d'un matériau métallique conducteur. Chaque plan de masse 301, 302 s'étend essentiellement parallèlement aux couches d'antenne, c'est-à-dire selon le plan formé par les axes X et Y. Le plan de masse 301 permet ainsi d'isoler les antennes 31, 32 de la première couche d'antenne des antennes 33, 34 de la deuxième couche d'antenne en limitant le transfert d'énergie d'une antenne à l'autre (par exemple de l'antenne 31 vers l'antenne 33 ou 34). De la même manière, le plan de masse isole également les antennes d'une même couche d'antennes entre elles Ainsi, 7 le plan de masse 301 isole l'antenne 31 de l'antenne 32 ainsi que l'antenne 33 de l'antenne 34. De la même manière, le plan de masse 302 permet ainsi d'isoler les antennes 33, 34 de la deuxième couche d'antenne de l'antenne 35 de la troisième couche d'antenne en limitant le transfert d'énergie d'une antenne à l'autre (par exemple de l'antenne 33 vers l'antenne 35). De la même manière, le plan de niasse isole également les antennes d'une même couche d'antenne entre elles. Ainsi, le plan de masse 302 isole l'antenne 33 de l'antenne 34. L'épaisseur d'une couche formant plan de masse est par exemple égale à 1 mm, 2 mm, 5 mm ou plus. [0071] Une unité de contrôle télématique TCU (de l'anglais « Telematic Control Unit ») 30 est avantageusement relié au système d'antenne 3. La TCU 30 fait avantageusement partie du système embarqué du véhicule et est avantageusement arrangée à l'intérieur du véhicule, par exemple sous le toit en regard du système d'antenne 3. La TCU 30 contrôle les différents systèmes de communication du véhicule, tels que par exemple le système de localisation de type GPS (de l'anglais « Global Positioning System » ou en français « Système de localisation global »), le système de communication mobile (GSM, GPRS, Wi-Fi, Bluctooth, LTE). Une description plus détaillée d'une telle TCU 30 est fournie ci-dessous en regard de la figure 4. [0072] Selon un exemple de réalisation particulier, La TCU 30 est comprise dans le module d'antenne 10. [0073] Bien entendu, le nombre d'antennes n'est pas limité à 5 mais s'étend à tout nombre d'antenne (par exemple 2, 3, 4, 6, 8, 10 ou plus d'antennes). Le nombre de couches d'antenne n'est pas limité à 3 mais s'étend par exemple à 2 couches, 4 couches, 5 couches ou plus de couches. [0074] [fig.4] illustre schématiquement un dispositif 4 connecté au système d'antenne 3, selon un exemple de réalisation particulier et non limitatif de la présente invention. Le dispositif 4 correspond avantageusement à l'unité de contrôle télématique 30 ou à un calculateur UCE (« Unité de Commande Electronique » ou en anglais ECU « Electronic Control Unit ») du système embarqué du véhicule. [0075] Le dispositif 4 est par exemple configuré pour émettre et/ou recevoir des données par l'émission et/ou la réception de signaux en utilisant le système d'antennes 3. Des exemples d'un tel dispositif 4 comprennent, sans y être limités, un équipement électronique embarqué tel qu'un ordinateur de bord d'un véhicule, un calculateur électronique tel qu'une UCE ou une TCU. Les éléments du dispositif 4, individuellement ou en combinaison, peuvent être intégrés dans un unique circuit intégré, dans plusieurs circuits intégrés, et/ou dans des composants discrets. Le dispositif 4 peut être réalisé sous la forme de circuits électroniques ou de modules logiciels (ou informatiques) ou encore d'une combinaison de circuits électroniques et de modules logiciels. Selon différents modes de réalisation particuliers, le dispositif 4 est couplé en communication 8 avec d'autres dispositifs ou systèmes similaires, par exemple par l'intermédiaire d'un bus de communication ou au travers de ports d'entrée / sortie dédiés. [0076] Le dispositif 4 comprend un (ou plusieurs) processeur(s) 40 configurés pour exécuter des instructions pour la réalisation des communications avec des dispositifs externes via le système d'antenne 3 et/ou pour l'exécution des instructions du ou des logiciels embarqués dans le dispositif 4. Le processeur 40 peut inclure de la mémoire intégrée, une interface d'entrée/sortie, et différents circuits connus de l'homme du métier. Le dispositif 4 comprend en outre au moins une mémoire 41 correspondant par exemple à une mémoire volatile et/ou non volatile et/ou comprend un dispositif de stockage mémoire qui peut comprendre de la mémoire volatile et/ou non volatile, telle que EEPROM, ROM, PROM, RAM, DRAM, SRAM, flash, disque magnétique ou optique. [0077] Le code informatique du ou des logiciels embarqués comprenant les instructions à charger et exécuter par le processeur est par exemple stocké sur la première mémoire 41. [0078] Selon un mode de réalisation particulier et non limitatif, le dispositif 4 comprend un bloc 42 d'éléments d'interface pour communiquer avec des dispositifs externes, par exemple un serveur distant ou le « cloud », un capteur GPS et/ou tout autre capteur. Les éléments d'interface du bloc 42 comprennent une ou plusieurs des interfaces suivantes : [0079] - interface radiofréquence RF, par exemple de type Bluetooth® ou LTE ((le l'anglais « Long-Term Evolution » ou en français « Evolution à long terme »), LTEAdvanced (ou en français LTE-avancé) ; [0080] - interface USB ((le l'anglais « Universal Serial Bus » ou « Bus Universel en Série » en français) ; [0081] - interface HDMI ((le l'anglais « High Definition Multimedia Interface », ou Interface Multimedia Haute Definition » en français). [0082] Des données sont par exemples chargées vers le dispositif 4 via l'interface du bloc 42 en utilisant un réseau Wi-Fi® tel que selon IEEE 802.11 ou un réseau mobile tel qu'un réseau 4G (ou LTE Advanced selon 3GPP release 10- version 10) ou 5G. [0083] Selon un autre mode de réalisation particulier, le dispositif 4 comprend une interface de communication 43 qui permet d'établir une communication avec d'autres dispositifs (tels que d'autres calculateurs du système embarqué) via un canal de communication 430. L'interface de communication 43 correspond par exemple à un transmetteur configuré pour transmettre et recevoir des informations et/ou des données via le canal de communication 430. L'interface de communication 43 correspond par exemple à un réseau filaire de type CAN ((le « Controller Area Network » ou en français Réseau de contrôleurs ») ou CAN FD ((le l'anglais « Controller Area Network 9 Flexible Data-Rate » ou en français « Réseau de contrôleurs à débit de données flexible »). [0084] Selon un mode de réalisation particulier supplémentaire, le dispositif 4 peut fournir des signaux de sortie à un ou plusieurs dispositifs externes, tels qu'un écran d'affichage, un ou des haut-parleurs et/ou d'autres périphériques via respectivement des interfaces de sortie non représentées. [0085] Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-avant niais s'étend à un module d'antenne comprenant le système d'antennes, le capot de protection et/ou le dispositif 4. [0086] L'invention concerne également un véhicule, par exemple automobile ou plus géné- ralement un véhicule à moteur terrestre, comprenant le système d'antenne 3 et/ou le module 10. 10 REVENDICATIONS[Revendication 1] Système d'antennes (3) pour véhicule, ledit système (3) comprenant une pluralité d'antennes (31 à 35) de type plate arrangées en au moins deux couches d'antenne, chaque couche d'antenne comprenant au moins une antenne de ladite pluralité, les couches d'antenne de chaque paire de couches d'antenne dudit système étant isolées l'une de l'autre par l'intermédiaire d'une couche (301, 302) formant plan de masse arrangée entre lesdites couches d'antenne de chaque paire. [Revendication 2] Système selon la revendication 1, pour lequel au moins une partie de ladite pluralité d'antennes (31 à 35) forme un système MIMO. [Revendication 3] Système selon la revendication 1 ou 2, pour lequel ladite pluralité d'antennes (31 à 35) est configurée pour rayonner et/ou capter des ondes radioélectriques dans une ou plusieurs des bandes de fréquences suivantes : - basse fréquence ; - moyenne fréquence ; - haute fréquence ; - très haute fréquence ; - ultra haute fréquence ; et - super haute fréquence. [Revendication 4] Système selon l'une des revendications 1 à 3, pour lequel chaque antenne de ladite pluralité d'antennes (31 à 35) correspond à l'une des antennes suivantes : - antenne planaire; - antenne fil plaque monopolaire ; - antenne en F inversé ; - antenne planaire en F inversé. [Revendication 5] Système selon l'une des revendications 1 à 4, pour lequel ledit système (3) est arrangé à l'extérieur du véhicule sur le toit (11) dudit véhicule. [Revendication 6] Module (10) d'antenne comprenant le système selon l'une des reven- dications 1 à 5 et un capot de protection arrangé de manière à recouvrir ladite pluralité d'antennes (31 à 35). [Revendication 7] Module selon la revendication 6, pour lequel ledit capot de protection a la forme d'un aileron de requin. [Revendication 8] Module selon l'une des revendications 6 à 7, comprenant en outre une unité de contrôle télématique (30) relié audit système d'antennes (3). [Revendication 9] Véhicule automobile comprenant le système selon l'une des reven- 11 dications 1 à5. [Revendication 10] Véhicule automobile comprenant le module selon l'une des reven- dications 6 à 8.