FR2834837A1 - Dispositif pour la reception et/ou l'emission d'ondes electromagnetiques a diversite de rayonnement - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif pour la réception et/ ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement.Ce dispositif comporte, sur un substrat commun (3), au moins une antenne de type fente (1) constituée par une courbe fermée, dite antenne de type fente, couplée électromagnétiquement à une première ligne d'alimentation (6) et une antenne présentant un rayonnement parallèle au substrat (2), positionnée à l'intérieur de l'antenne de type fente et connectée à une deuxième ligne d'alimentation, lesdites première et deuxième lignes d'alimentation étant connectées par l'intermédiaire d'un moyen de commutation à des moyens d'exploitation des ondes électromagnétiques.L'invention s'applique notamment dans le domaine des transmissions sans fils.
Description
fente annulaire ou polygonale.
La présente invention concerne un dispositif pour la réception eVou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement utilisable dans le domaine des transmissions sans fil, notamment dans le cas de transmissions dans des milieux clos ou semi-clos tels que les réseaux domestiques sans fils, les gymnases, les studios de télévision, les salles de spectacle ou similaires mais aussi dans les systèmes de communication sans fils demandant un encombrement minimal pour le système d'antenne
tel que dans la téléphonie mobile.
o Dans les systèmes connus de transmission sans fils à haut-débit, les signaux transmis par l'émetteur atteignent le récepteur selon une pluralité de chemins distincts. Lors de leur combinaison au niveau du récepteur, les différences de phase entre les différents rayons ayant parcouru des trejets de longueu rs différentes, don nent lieu à une figure d' interférence susceptible s de provoquer des évanouissements ou une dégradation importante du signal. D'autre part, I'emplacement des évanouissements change au cours du temps, en fonction des modifications de l'environnement, telles que la présence de nouveaux objets ou le passage de personnes. Ces évanouissements dus aux multitrejets peuvent entraner des dégradations o importantes tant au niveau de la qualité du signal reçu qu'au niveau des
performances du système.
Pour lutter contre les évanouissements, la technique la plus souvent utilisée est une technique dite à diversité spatiale. Cette technique consiste entre autres à utiliser une paire d'antennes à large couverture spatiale telles que deux antennes du type pastille ou " patch " associées à un commutateur. Les deux antennes sont espacoes d'une longueur qui doit être supérieure ou égale à ?0/2 o X0 est la longueur d'onde correspondant à la fréquence de fonctionnement de l'antenne. Avec ce type d'antenne, on peut montrer que la probabilité d'avoir les deux antennes simultanément so dans un évanouissement est très faible. D'autre part, grâce au commotateur, ii est possible de sélectionner la branche reliée à l'antenne présentant le niveau du signal le plus élevé en examinant le signai reçu par l'intermédiaire d'un circuit de contrôle. Toutefois, cette solution a pour principal inconvénient d'étre relativement volumineuse, car elle nécessite un espacement minimum entre les antennes rayonnantes pour assurer une décorrelation suffisante des réponses du canal vues à travers chaque
s élément rayonnant.
Différentes solutions ont été proposées pour réduire l'encombrement du système d'antenne tout en assurant une diversité suffisante. Certaines solutions ont fait l'objet de plusieurs demandes de brevet déposées au nom de THOMSON multimedia Licensing S.A. Elles o consistent notamment à utiliser plusieurs antennes du type fente alimentées par des transitions ligne-fente et munies de moyens permettant d'obtenir une diversité de rayonnement, notamment des diodes permettant de commuter
sur l'une ou l'autre des antennes en fonction du niveau du signal reçu.
D'autre part, dans l'Article IEEE, Vol. 49 n 5 de Mai 2001, intitulé " diversity antenna for external mounting on wireless handsets ", il a aussi été proposé, dans le domaine de la téléphonie mobile, d'associer une fente
X/4 avec un monopole pour réaliser un système à diversité de rayonnement.
Toutefois, le système proposé est une structure en trois dimensions
relativement complexe.
o La présente invention a donc pour but de proposer une nouvelle solution pour un dispositif pour la réception eVou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement présentant une structure extrêmement compacte tout en donnant des diagrammes de rayonnement présentant une très bonne complémentarité. Elle permet aussi d'obtenir un s dispositif pour la réception eVou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement présentant un coût de fabrication relativement faible. En conséquence, la présente invention a pour objet un dispositif pour la réception eVou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de so rayonnement, caractérisé en ce qu'il comporte sur un substrat commun, au moins une antenne du type fente constituée par une courbe fermée, couplée électromagnétiquement à une première ligne d'alimentation et une antenne présentant un rayonnement parallèle au substrat tel qu'un monopole, une hélice fonctionnant en mode transversal ou similaire, positionnée à l'intérieur de l'antenne de type fente et connectée à une deuxième ligne d'alimentation, lesUites première et deuxième lignes d'alimentation étant connectées par I'intermédiaire d'un moyen de commutation à des moyens d'exploitation des
ondes électromagnétiques.
Le dispositif pour la réception eVou l'émission d'ondes électromagnétiques décrit ci-dessus utilise le fait que les antennes de type fente constituée par une courbe fermoe dites ci-après antennes de type o fente ainsi que les antennes du type monopole ou hélice fonctionnant en
mode transversal présentent des diagrammes de rayonnement quasi-
omnidirectionnels avec des minima situés respectivement dans le plan du substrat pour l'antenne de type fente et selon l'axe du monopole ou de l'hélice pour l'autre antenne. Ainsi, la commutation d'une antenne sur l'autre permet de modifier la réponse du canal à travers 1'antenne et de bénéficier
ainsi d'un gain de diversité.
Selon des modes de réalisation préférentiels, la première ligne d'alimentation est réalisée en tech nologie microru ban ou en tech nologie coplanaire. D'autre part, la première ligne d'alimentation a une longueur o entre son extrémité et le point de couplage électromagnétique égale à km/4, o k est un entier impair et m la longueur d'onde guidée sous la ligne d'alimentation à la fréquence centraie de fonctionnement, avec m = kOI<creff o L0 est la longueur d'onde dans le vide et cren la permittivité effective de la ligne. La seconde ligne d'alimentation est réalisée en technologie microruban ou par une ligne coaxiale. Lorsque la ligne est réalisée en technologie microruban, une connexion est formée au niveau de l'antenne du type fente entre la partie extérieure et la partie intérieure de la fente, cette connexion étant constituée, par exemple, par un insert conducteur présentant une largeur égale à environ deux à trois fois la largeur so de la ligne réalisée en technologie microruban, de manière à ne pas perturber le fonctionnement de la ligne microruban excitatrice. De plus, afin de minimiser la perturbation dans la fente de l'antenne de type fente, du fait
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de la présence de la connexion conductrice, cette connexion est réalisée dans un plan de court-circuit électrique pour la fente qui est donc le plan de croisement de la ligne microruban excitatrice de l'antenne de type monopole
ou hélice et de l'antenne de type fente.
s Selon des modes de réalisation préférentiels, I'antenne de type fente est constituée par une fente annulaire de forme circulaire ou constituée par une courbe fermée de périmètre égal à k'\s o k' est un entier et s la longueur d'onde dans la fente à la fréquence de fonctionnement et ou par une fente polygonale telle que carrée ou rectangulaire. Selon une autre o caractéristique de la présente invention, le dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement peut comporter plusieurs antennes de type fente imbriquces l'une dans l'autre de manière à élargir la bande de fonctionnement ou à permettre des
applications multibandes.
s D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
appara^tront à la lecture de la description de divers modes de réalisation faits
avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un premier mode de réalisation de la présente invention, o - les figures 2 et 3 sont respectivement une vue en coupe et de dessus du premier mode de réalisation, - les figures 4 et 5 représentent en perspective le diagramme de rayonnement du monopole et le diagramme de rayonnement de la fente pour un dispositif selon les figures 1 à 3, s - la figure 6 représente une courbe donnant les paramètres S en dB en fonction de la fréquence entre les différents " ports " pour un dispositif selon les figures 1 à 3, - la figure 7 est une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation de la présente invention, o - la figure 8 est une courbe identique à celle de la figure 6 pour le deuxième mode de réalisation, s - les figures 9 et 10 représentent les diagrammes de
rayonnement de la fente et du monopole pour un dispositif selon la figure 7.
Pour simplifier la description, dans les dessins les mêmes
éléments portent les mémes références.
Comme représenté sur les figures 1 à 3, le dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques est constitué essentiellement par une antenne de type fente 1 formée d'une courbe fermée, plus particulièrement une fente annulaire, et par une antenne 2 présentant un rayonnement parallèle au plan de la fente, à savoir un o monopole dans le mode de réalisation représenté. Le monopole 2 est positionné au centre de la fente annulaire 1. De manière plus spécifique, comme représenté sur les figures 2 et 3, le dispositif de la présente invention comporte un substrat en matériau diélectrique 3 dont la face supérieure a été métallisoe. La fente annulaire 1 est réalisée par dé métallisation de ia couche métallique 4 selon un cercle de diamètre fonction de la longueur d'onde de fonctionnement du dispositif, plus particulièrement le périmètre est égal à k'?s o s est la longueur d'onde dans la fente à la fréquence de
fonctionnement et k' un entier.
D'autre part, une ouverture circulaire 5 de diamètre D est prévue o au centre de la fente annulaire. Cette ouverture reçoit dans sa partie centrale le monopole 2 qui traverse aussi le substrat 3. Sous le monopole 2 est prévue, sur la face inférieure du substrat 3, une pastille annulaire métallique de fixation. Comme représenté plus particulièrement sur la figure 3, la fente annulaire 1 est excitée selon la méthode décrite par Knorr, par une s ligne microruban 6 reliée au " port 1 ". Cette ligne microruban 6 est réalisée sur la face inférieure du substrat. Elle présente entre son extrémité libre 6' et le point de couplage électromagnétique avec la fente 2, une longueur Lm =
km/4 o ?:m est la longueur d'onde sous la ligne et k un entier impair.
De méme, dans le mode de réalisation représenté, le monopole 2
o est excité par une ligne microruban 7.
Comme représenté en Figure 3, afin d'assurer une continuité du plan de masse pour la ligne microruban 7 excitant le monopole 2, il est réalisé une connexion entre le disque intérieur et la couronne extérieure constituant la fente annulaire 1. Cette connexion est réalisoe à l'aide d'un insert conducteur 8 de largeur w suffisamment large ( largeur égale à environ 2 à 3 fois la largeur de la ligne imprimée excitatrice) pour ne pas perturber le fonctionnement de la ligne microruban excitatrice. Afin de minimiser la perturbation de la fente annulaire par la présence de cet insert métallique, celui-ci est réalisé dans un pian de court-circuit électrique pour la fente, qui sera donc le plan de croisement de la ligne excitatrice du
monopole et de la fente annulaire.
o Comme présenté dans les figures 4 et 5, la fente annulaire 1 et le monopole 2 présentent des diagrammes de rayonnement quasi omnidirectionels et relativement complémentaires dans la mesure o les minima m sont situés respectivement dans le plan du substrat ( en l'occurrence selon l'axe ox) pour la fente annulaire et selon l'axe du s monopole (en l'occurrence l'axe oz) pour ce dernier. Ainsi la commutation d'un port à l'autre (à l'aide d'un dispositif de commutation bien connu de l'homme de l'art, tel qu'un commutateur positionné entre les lignes d'alimentation 6 et 7 et la partie du traitement du signal, piloté par un signal de commande tel que le niveau du signal, le rapport signal sur bruit ou similaire), permet de modifier la réponse du canal à travers l'antenne et bénéficier ainsi d'un gain de diversité. En effet, si par exemple la dominante du signal reçu arrive selon l'axe ox ce qui reviendrait à recevoir un signal faible à travers l'accès relié à la fente, en commutant sur l'accès connecté au monopole, on a toutes les chances de recevoir un signal de niveau s significatif compte tenu du fait que la direction ox correspond à un maximum pour le diagramme du monopole. Un raisonnement symétrique peut être fait dans le cas o le signal dominant arrive selon l'axe oz. par exemple dans le
cas d'une communication multi-étages.
:;o Dans ce cas, le couplage entre la fente annulaire 1 et le monopole 2 reste réduit compte tenu: i) de la complémentarité des diagrammes de rayonnements ( les directions des maxima de l'un se trouvent dans la direction des minima de l'autre) ii) de l'orthogonalité des champs émis par la fente et
s le monopole.
Ainsi, on peut s'attendre à des perturbations mutuelles minimales entre les deux éléments rayonnants bien qu'occupant quasiment le même
espace physique.
Afin de s'assurer du bon fonctionnement d'un dispositif o d'émissioniréception tel que décrit ci-dessus, celui-ci a été complètement dimensionné pour un fonctionnement à la fréquence centrale d'environ 5.8 GHz puis simulé à l'aide du logiciel de simulation HFSS de Ansoft. Par référence aux schémas des Figures 1 à 3, le système constitué par une fente annulaire 1 et un monopole 2 présente les dimensions suivantes: Rjn=6.4mm (rayon intérieur de la fente) Rex=6.8mm (rayon extérieur de la fente) Ws=0.4mm (largeur de la fente, Ws=RexrRint) Wm=0. 3mm (largeur de la ligne microruban alimentant la fente) o. Im,=8.25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la fente entre le port 1 et la transition ligne/fente) Im =8.25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la fente entre la transition ligne/fente et l'extrémité de la ligne en circuit ouvert) D=2mm (diamètre de la démétallisation au centre de la fente) :s. L=13.21mm (longueurdu monopole) [=30mm (diamètre du plan de masse) À []monopoie=1 mm (diamètre du fil métallique consituant le monopole) Wm2=0.2mm (largeur de la ligne microruban alimentant le o monopole) À Im2=8.4mm (longueur de la ligne microruban alimentant le monopoie entre le port 2 et la transition ligne/fente)
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À Im29=8.8mm À insert de 1.2mm de long (soit 3% de la longueur de la fente) À une pastille métallique de diamètre 2mm est placée sous le monopole (elle permet de souder plus facilement le monopole à sa ligne d'alimentation) Le substrat utilisé est du Rogers 4003, de permittivité relative
[lr=3.38 et d'épaisseur h=0.81 mm.
La Figure 6 montre les résultats de simulation des coefficients de réflexion à l'entrce des lignes alimentant la fente annulaire ( S11) et le o monopole ( S22) ainsi que le coefficient de couplage ( S21) entre les 2 ports 1 et 2. On peut constater une bonne adaptation des 2 antennes ainsi qu'une isolation entre les deux accès meilleure que 19dB malgré l'extrême proximité
des deux éléments rayonnants, à savoir la fente 1 et le monopole 2.
Dans ce cas, les diagrammes de rayonnement obtenus à l'accès respectivement monopole et fente annulaire sont ceux représentés sur les figures 4 et 5. Malgré une légère déformation du diagramme du monopole, on peut constater que le système d'antenne fonctionne comme souhaité, soit donc avec des diagrammes quasi-omni-directionnels, complémentaires avec des minima selon l'axe oz pour le monopole et l'axe ox pour la fente
annulaire.
Selon une variante, représenté sur la figure 7, le monopole est excité par une ligne coaxiale reliée au niveau du port 2. Dans cette variante
2, I'excitation du monopole se fait du côté du plan de masse 9 du substrat.
Dans ce cas, le plan de masse 9 est réalisé sur la face inférieure du substrat 3. L'antenne constituée par la fente annulaire 1 est formoe dans ce plan de masse. La ligne d'alimentation formée d'une ligne microruban 6 est alors réalisoe par la face supérieure du substrat, I'excitation ayant lieu comme dans le mode de réalisation précédent. Des simulations spécifiques de cette variante ont été effectuées à l'aide du logiciel HFSS de Ansoft, sur une so réalisation particulière dont le dimensionnement est comme suit: Rjn=6.4mm (rayon intérieur de la fente)
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Rex=6.8mm (rayon extérieur de la fente) Ws=0.4mm (largeur de la fente, Ws=RextRint) - À Wm'=0.3mm (largeur de la ligne microruban alimentant la fente) À Im=8.25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la fente entre le port 1 et la transition ligne/fente) Im =8.25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la fente entre la transition ligne/fente et l'extrémité de la ligne en circuit ouvert) D=2mm (diamètre de la démétallisation au centre de la fente) L=1 2.4mm (longueur du monopole) o. O=30mm (diamètre du plan de masse) [lmonopoe=1 mm (diamètre du fil métallique consituant le monopole) Le substrat utilisé est du Rogers 4003, de permittivité relative
rr=3.38 et d'épaisseur h=0.81 mm.
Les adaptations aux deux accès ainsi que l'isolation entre les deux ports sont représentées sur la figure 8. La courbe S21 montre une bonne isolation tandis que les courbes S11 et S22 montrent une bonne adaptation à la fréquence de fonctionnement de 5,8 GHz. Les figures 9 et 10 présentent les diagrammes de rayonnement du dispositif pour la réception o et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques décrit ci-dessus, respectivement aux accès fente et monopole. On peut constater que l'excitation par ligne coaxiale du monopole qui a l'avantage d'éviter le croisement ente la ligne d'excitation du monopole et l'antenne fente, présente une meilleure isolation (isolation supérieure à 22 dB) que dans le s cas de l'excitation par ligne micro-ruban et le diagramme du monopole n'est plus distordu. Cet avantage est obtenu aux dépens d'une complexification de la structure d'antenne. (accès fente et monopole sur des faces opposées du
substrat et de type différents: ligne coaxiale et ligne microruban).
D'autres modifications peuvent être apportées telles que so l'utilisation d'une hélice fonctionnant sur son mode transversal à la place du monopole, I'utilisation d'une fente double ou multiple pour élargir la bande ou pour des applications muiti-bandes, I'alimentation tangentielle de la fente au
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lieu d'une alimentation de type Knorr, la déformation de la fente annulaire pour réduire encore plus son encombrement, la fente pouvant être aussi de forme carrée, rectangulaire ou selon d'autres polygones tout en restant dans le cadre de la définition donnée ci-dessus. De même, le monopole ou l'hélice s peuvent être remplacés par des antennes de même type pouvant être placées au cente de l'antenne fente et présentant un rayonnement parallèle au substrat. La ligne d'alimentation de l'antenne de type fente peut être réal isée pa r u ne l igne en tech nologie m icroru ban ou en tech n olog ie coplanaire. De plus, I'antenne de type fente peut être munie de moyens o permettant son fonctionnement en polarisations croisées, tels que des
encoches dans le cas d'une fente annulaire.
Claims (8)
1 - Dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comporte, sur un substrat commun (3), au moins une antenne de type fente (1) constituée par une courbe fermée, dite antenne de type fente, couplée électromagnétiquement à une première ligne d'alimentation (6) et une antenne présentant un rayonnement parallèle au substrat (2), positionnée à l'intérieur de l'antenne de type fente et connectée à une deuxième ligne o d'alimentation (7), lesdites première et deuxième lignes d'alimentation étant connectées par l'intermédiaire d'un moyen de commutation à des moyens
d'exploitation des ondes électromagnétiques.
2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première ligne d'alimentation (6) est réalisée en technologie microruban ou
en technologie coplanaire.
3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première ligne d'alimentation (6) a une longueur entre son extrémité et le o point de couplage électromagnétique égale à km/4 o k est un entier impair et m la iongueur d'onde guidée sous la ligne d'alimentation à la fréquence centrale de fonctionnement avec m = X0/lúreff o X0 est la longueur d'onde
dans le vide et Eren la permittivité effective de la ligne.
4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que ia seconde ligne d'alimentation (7) est
réalisée en technologie microruban ou par une ligne coaxiale.
- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que so lorsque la ligne est réalisoe en technologie microruban, une connexion est réalisée au niveau de l'antenne de type fente entre la partie extérieure et la
partie intérieure de la fente.
6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la connexion est constituée par un insert 8 conducteur présentant une largeur
égale à 2 à 3 fois la largeu r de la ligne réal isée en tech nologie microru ban.
s
7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6,
caractérisé en ce que la connexion est positionnée dans un plan de court-
circuit électrique pour la fente.
o 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce que l'antenne de type fente est constituée par une fente annulaire de forme circulaire ou constituée par une courbe fermée de périmètre égal à k'\s o s est la longueur d'onde dans la fente à la fréquence de fonctionnement ou une fente polygonale telle que carrée ou
s rectangulaire et k' un entier.
9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,
caractérisé en ce que l'antenne (2) présentant un rayonnement parallèle au substrat est constitué par un monopole ou une hélice fonctionnant en mode
transversal.
- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il peut comporter plusieurs antennes de type fente imbriquées l'une dans l'autre.
11 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,
caractérisé en ce que l'antenne (2) présentant un rayonnement parallèle au
substrat est positionnée au centre de la ou des antennes de type fente.
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